第一章 气体力学在窑炉中的应用

1、第一章第一章 气体力学在窑炉中的应用气体力学在窑炉中的应用 第一节第一节 气体力学基础气体力学基础 第二节第二节 窑炉系统中不可压缩气体的流动及应用窑炉系统中不可压缩气体的流动及应用 第三节第三节 烟囱烟囱 第一节第一节气体力学基础气体力学基础 一、气体的物理属性一、气体的物理属性 1、压缩性与膨胀性（气体状态方程）、压缩性与膨胀性（气体状态方程） 气体受压、遇冷收缩，受热、减压膨胀的气体受压、遇冷收缩，受热、减压膨胀的 性质。性质。 压缩性压缩性:体积随压强变化的性质体积随压强变化的性质 膨胀性：体积随温度变化的性质膨胀性：体积随温度变化的性质 在 温 度 不 过 低 （在 温 度 不 过

2、低 （ T - 2 0 ） ， 压 强 不 过 大） ， 压 强 不 过 大 （pPa , 气体从窑炉内流出。气体从窑炉内流出。 当负压操作时当负压操作时, P1Pa, 气体从窑炉内吸入。气体从窑炉内吸入。 2 2 1 1 pap1 12 2 1 pap 1、气体通过的小孔流出和吸入、气体通过的小孔流出和吸入 计算目的：求解气体排放量和吸入量计算目的：求解气体排放量和吸入量 如图一炉墙，在炉墙上开有一小孔。如图一炉墙，在炉墙上开有一小孔。 当气体从较大空间突然通过小孔向外逸出时，由于惯性当气体从较大空间突然通过小孔向外逸出时，由于惯性 作用，气体会发生收缩，在小孔处形成一最小截面作用，气体会发

3、生收缩，在小孔处形成一最小截面. 这种现这种现 象称为象称为“缩流缩流” 若炉墙厚时，缩流截面可能发生在炉墙内若炉墙厚时，缩流截面可能发生在炉墙内 若炉墙薄时，缩流截面可能发生在炉墙外若炉墙薄时，缩流截面可能发生在炉墙外 令小孔截面积为令小孔截面积为F ， 最小截面面积为最小截面面积为F2 A)流出情况流出情况（即正压操作时）即正压操作时） 即：即：FF 2 则则FF / 2 缩流系数缩流系数 2 2 1 1 pap1 取炉内截面为取炉内截面为1-1。最小截面为。最小截面为2-2 列列1-1与与2-2两截面之间的二气流两截面之间的二气流 的柏努利方程的柏努利方程 )21(222111lksge

4、ksge hhhhhhh 分析：取小孔中心线所在的水平面为基准面。分析：取小孔中心线所在的水平面为基准面。则：则： 动压头：动压头： 00 1,1 k hw 静压头：静压头：0, 22 sa hPP 0 1 ge h0 2 ge h几何压头几何压头: 阻力损失阻力损失 0 2 2 2 )21( w h l 将各项代入，则伯努利方程将各项代入，则伯努利方程 变为变为 )21(21lks hhh 2 2 1 1 pap1 )1( )(2 1 2 a pp w所以所以 1 1 令令为速度系数为速度系数 )(2 1 2 a pp w 则则 )(2)(2 11 22 aa pp F pp FFwV 所以

5、所以: 令令 称为流量系数称为流量系数 则则 )(2 1 22 a pp FFwV 注意三个系数：见书上表注意三个系数：见书上表1-3(13页）页） 22 2 2 2 21 w wpp a 即即： 2 2 1 1 pap1 A)吸吸 入情况入情况（即负压操作时）即负压操作时）： 计算方法相同计算方法相同 a a pp FV )(2 1 吸入量为吸入量为 n其中，其中，a为炉外冷空气的密度。为炉外冷空气的密度。 12 2 1 pap 炉门与小孔区别为炉门内的压强随炉门与小孔区别为炉门内的压强随 高度而变化高度而变化。 在炉门中心线上取一微元体在炉门中心线上取一微元体dz 则微元体面积为：则微元体

6、面积为：dF = B dz， H Z1 Z Z2 paz dz pz 零压面零压面 pa B 2、气体通过炉门的吸入和流出、气体通过炉门的吸入和流出 A) 气体通过炉门的流出（炉内正压）气体通过炉门的流出（炉内正压） 如图。设炉门高为如图。设炉门高为H，宽为，宽为B 设炉门中心线距离零压面的设炉门中心线距离零压面的 高度为高度为z，炉门下边缘距零压，炉门下边缘距零压 面高度为面高度为z1， ，炉门上边缘距零 炉门上边缘距零 压面高度为压面高度为z2 取取z为常数，则为常数，则 2 1 2 1 )(2 z z a z z z dzz g BdVV )( )(2 3 2 5.1 1 5.1 2 z

7、z g BV a 运用前面的公式，可得运用前面的公式，可得 dz pp B pp dFdV azz z azz z )(2)(2 ZPPZPP aaazaz ,由 gZZPP aaazz )()(得 dzz g BdV a z )(2 代入上式，得：代入上式，得： H Z1 Z Z2 paz dz pz 零压面零压面 pa B na x n naaa x aa axx ! ) 1() 1( ! 2 ) 1( 1)1 ( 2 ) 2 ( ! 3 )5 .0(5 .05 .1 ) 2 ( !2 5 .05 .1 2 5 .11 ) 2 1 () 2 ( 325 .1 5 .15 .15 .15 .

8、1 2 mmm m m mm z H z H z H z z H z H zz 325 . 1 5 . 15 . 15 . 15 . 1 1 ) 2 ( ! 3 )5 . 0(5 . 05 . 1 ) 2 ( ! 2 5 . 05 . 1 2 5 . 11 ) 2 1 () 2 ( mmm m m mm z H z H z H z z H z H zz n取取 zm =(z1 + z2 )/2，即炉门中心线距零压面的距离即炉门中心线距零压面的距离； n而而 H = z2 z1，故故 z2 = zm + H/2，z1 = zm - H/2 n据牛顿二项式据牛顿二项式 令令 H/(2zm) tb

9、， 则则a hge2b （1）、若使热气体）、若使热气体自上而下流动，则几何压头相当于阻力，自上而下流动，则几何压头相当于阻力，所所 以以a通道阻力大，使得通道阻力大，使得Va Vb ，因而因而a通道内的热气体越通道内的热气体越 来越多，来越多，ta就越来越高，从而导致就越来越高，从而导致a、b温度分布更加不均匀。温度分布更加不均匀。 )(),( b a geba a gea rrHhrrHh 空空 因此：因此： 热气流只有自上而下流动，才能热气流只有自上而下流动，才能 保证保证a、b通道温度分布均匀条件；通道温度分布均匀条件； 冷气流只有自下而上流动，才能冷气流只有自下而上流动，才能 保证保

10、证a、b通道温度分布均匀条件通道温度分布均匀条件 （自行分析）（自行分析） 11 22 ab 三、三、 引导气体流动的设备烟囱引导气体流动的设备烟囱 1、烟囱底部负压与窑炉内系统阻力的关系、烟囱底部负压与窑炉内系统阻力的关系 列列1-1与与2-2之间的柏努力方程之间的柏努力方程 )21(222111lksgeksge hhhhhhh 静压头：静压头：0 1 s h 取取1-1为基准面，则为基准面，则0 1 ge h hh ww gH hhhhhh la lkkges )21( 2 1 2 2 1 )21(1222 2 )( )( 将各项代入，则柏努利方程将各项代入，则柏努利方程 变为变为 所以

11、，为了克服烟气流动时的阻力，烟囱底部必须产生一所以，为了克服烟气流动时的阻力，烟囱底部必须产生一 定的负压。定的负压。 hhhhhh lsgekk)21 (2212 ,)(也较小数值很小 2、烟囱产生抽力的原因、烟囱产生抽力的原因 2-2 与与3-3之间列的柏努力方程之间列的柏努力方程 )32(333222lksgeksge hhhhhhh 3-3为零压面为零压面 分析：分析： 取取3-3为基准面，则为基准面，则 0 3 ge h 0 3 s h 将各项代入，则柏努利方程将各项代入，则柏努利方程 变为变为 )32(2322 )( lkkges hhhhh hh ww Hgh lmmas )32

12、( 2 2 2 3 2 ) 2 ()( 由于由于(hk3 hk2 )0，hl(2-3 )0，所以为了使，所以为了使-hs1 0， 必须使必须使hge2达到一定值，即烟囱要有一定的高度，达到一定值，即烟囱要有一定的高度， 才能使烟囱产生抽力。才能使烟囱产生抽力。 n其中，其中，hge2为位能增量，为位能增量，(hk3 hk2)为动能增量为动能增量。 从该式中可以看出：最大的从该式中可以看出：最大的抽力为抽力为: )( 2 max 2mages Hghh 分析：分析： 将增大则 ，或或 max 2s ma h H 3、烟囱的热工计算、烟囱的热工计算 1）、根据有关资料及条件，确定）、根据有关资料及

13、条件，确定 排烟量排烟量Q 由系统阻力与动、位能增量得底部抽力由系统阻力与动、位能增量得底部抽力hs1 ， 并考虑安全系数，取并考虑安全系数，取k=1.31.5 烟气温度等，如烟囱底部温度烟气温度等，如烟囱底部温度T1 2）、确定烟囱的顶部出口直径）、确定烟囱的顶部出口直径 dT T T w V d 0 4 自然通风：通常取自然通风：通常取wT =24Nm/s 人工排烟：人工排烟：通常取通常取wT =815Nm/s 4）、）、烟囱高度的确定烟囱高度的确定: 由公式：由公式： 3）、）、确定烟囱底部直径确定烟囱底部直径 dB g hK g h H mama s )()( Hdd TB )02.

14、001. 0(2 这里估算烟囱高度这里估算烟囱高度H为：为： K为储备系数，为储备系数，k=1.21.3 hh ww Hgh lmmas )32( 2 2 2 3 2 ) 2 ()( （*） 2 1 )( ) 2 ( 2 ) 2 ()( 2 2 2 2 3 2 2 2 2 3 avm ma m avm av mma w d g ww h H h w d Hww Hg 得：得： 4、几点说明、几点说明 1）、为保证烟囱在任何季节都有足够的抽力，计算时应）、为保证烟囱在任何季节都有足够的抽力，计算时应 取夏季最高温度时的空气密度；取夏季最高温度时的空气密度； 2）、如当地空气湿度较大，计算时必须用湿空气的密度；）、如当地空气湿度较大，计算时必须用湿空气的密度；