工业炉设计6章(66-92)

1、第六章 低压气体流动阻力损失计算6.1 气体流动的性质和阻力损失计算原则6.1.1气体流动的性质 气体流动的阻力损失与它的流动性质有关，决定气体流动性质的参数有：气体的流速W（m/s），流动通道的水力直径（当量直径）dD（m），气体的密度（kg/m3），气体的动力粘度（kg·s/m2）或运动粘度（=/，m2/s）。这些参数的组合作用可用一个无因次的准则数，即雷诺数Re来表示： （6-1）其中，流动通道的水力直径（当量直径）dD按如下原则计算： 圆形管道： dD=d内； 矩形管道： （6-1a） 管群（直排或顺排）： （6-1b） 实验研究表明： 当Re<2300时，气体流动为层

2、流。层流时，平均速度为流股轴线流速的一半，即： （6-2a） 当Re>2300时，气体流动为紊流。紊流时，平均流速W均与紊流程度有关。在工业炉应用范围内，气体流动通常为紊流状态，一般平均流速： W均=(0.820.86)W最大 （6-2b）式中：W最大管道中心轴线处流速，m/s。 通常所说的管道流速，在无特别说明时，均指平均流速，用W（m/s）表示。6.1.2 阻力损失计算原则 （1）一条总流路系统若有两条或两条以上的分支时，该流路总的阻力损失应以其中气体流动阻力损失最大的串联流路计算。 （2）被确定的计算串联流路中，管径、气体流量、温度等发生变化时，其阻力损失须分段进行计算。分段的原则

3、是流路中遇到下列情况之一时，则分为一段。 流路断面改变； 流量发生变化； 温度陡然而显著地发生变化（如气体流经换热器）。 同一段中，若气流方向发生变化（如90°拐弯），那么直管段部分与拐弯部分应分别计算。6.2 计算数据的确定6.2.1计算流量的确定 （1）流路只有一座或多座炉子同时工作时，应采用其最大小时流量作为计算流量。 （2）当流路中炉子数量较多，又不同时工作时，那么计算流量为各炉子最大流量之和乘以同时利用系数K（由实际工作状态决定）。表6-1 工业上不同气体在流路内的流速范围名 称流速W0 （标m/s）热脏发生炉煤气管道1.03.0压力低于3kPa的冷煤气管道5.08.0压力

4、低于3kPa的热煤气管道3.05.0压力高于3kPa的冷煤气管道8.012.0压力高于3kPa的热煤气管道6.08.0天然气管道15.030.0压力低于5kPa的冷空气管道6.08.0压力低于5kPa的热空气管道3.05.0压力高于5kPa的冷空气管道9.012.0压力高于5kPa的热空气管道5.07.0压力很小的热空气管道1.03.0自然排烟砖砌烟道1.53.0机械排烟(引风机)砖砌烟道2.54.0砖砌烟囱的出口2.54.0金属烟囱2.05.0压力低于0.4MPa的压缩空气管道8.015.0过热空气管道35.060.0饱和蒸汽管道20.040.0高压蒸汽管道5.07.0低压水管道2.04.0

5、一般生产用冷却水管1.52.5油 管0.11.0 （3）以炉子的总燃料燃烧生成物（废气）量（B实Vn）作为进入烟道的废气计算流量时，可不再考虑由炉门、炉体等处的废气溢出量或空气吸入量。 （4）计算烟道中废气流路的流量时，由于烟道中是负压，应考虑从烟闸、人孔等处的大气吸入量和换热器的漏风量。但不必考虑烟道砌体的空气渗漏以及烟道内渗水蒸发等量的影响。这一项计算较复杂，通常采用经验估算法，即：从烟闸、人孔的吸入量约为烟气生成量的5%10%；金属换热器的漏风量约为3%5%，粘土换热器的漏风量约为25%40%。 6.2.2流路横断面尺寸的确定 流路通道的横断面尺寸按通道内气体的流量和流速确定。不同气体流

6、动通道内的气体流速，在无特殊要求时，一般可按表6-1选用。 （1）空(煤)气管道内径d内的确定方法 对于换热器前总管道、换热器后总管道和分支管道，根据空(煤)气的最大流量V0和表6-1中对应的流速W0，按（6-3）式计算： mm （6-3）式中：V0最大空(煤)气流量（=Ln湿B实），标m3/h； W0经济流速，标m/s（见表6-1）。 根据d内，再按表6-2中列出的管道系列，查找对应的管道规格（×mm），作为空(煤)气管径的最后确定值。表6-2 空（煤）气管道规格序号公称通径Dg(mm)材质煤气管规格空气管规格外径×壁厚×(mm)单重(kg/m)外径×

7、壁厚×(mm)单重(kg/m)115 (1/2)焊管21.25×2.751.2521.25×2.751.25220 (3/4)焊管26.75×2.751.6326.75×2.751.63325 (1)焊管33.50×3.252.4233.50×3.252.42432 (1 1/4)焊管42.25×3.253.1342.25×3.253.13540 (1 1/2)焊管48×3.503.8448×3.503.84650 (2)焊管60×3.504.8860×3.504.

8、88770 (2 1/2)焊管75.5×3.756.6475.5×3.756.64880 (3)焊管88.5×4.08.3488.5×4.08.349100 (4)焊管114×4.010.85114×4.010.8510125 (5)焊管140×4.515.04140×4.515.0411150 (6)焊管165×4.517.81165×4.517.8112100无缝管108×4.010.26108×4.010.2613125无缝管133×4.012.73133&#

9、215;4.012.7314150无缝管159×4.517.15159×4.517.1515175无缝管194×523.31194×523.3116200无缝管219×631.54219×631.5417225钢板管245×423.8245×317.918250钢板管273×426.5273×320.019300钢板管325×431.7325×323.820350钢板管377×545.8377×327.521400钢板管426×551.8426&

10、#215;331.122450钢板管478×558.4478×335.023500钢板管529×564.5529×338.724600钢板管630×692.5630×461.625700钢板管720×6106720×470.626800钢板管820×6120820×480.027900钢板管920×6136920×491.0281000钢板管1020×61501020×6150291100钢板管1120×61651120×6165301

11、200钢板管1220×61801220×6180311300钢板管1320×61951320×6195321400钢板管1420×62091420×6209331500钢板管1520×62241520×6224 表6-3 拱顶角为60°烟道断面系列 表6-4 拱顶角为180°烟道断面系列序号烟道内宽(mm)高度(mm)断面积(m2)当量直径(m)序号烟道内宽(mm)高度(mm)断面积(m2)当量直径(m)15806590.3670.62614645720.2430.51926968100.543

12、0.75925806980.3690.64038129620.7530.89436968240.5210.760492811140.9961.05548129500.7010.8835104412351.2421.148592811440.9691.0356116013861.5501.2816104412701.2091.1577127615381.8821.4087116013961.4751.2798139216902.2681.5478127615901.8571.4339150818412.6781.6829139217162.1811.55310162419933.1221.816

13、10150818422.5331.67411174021443.5721.93511162419682.9131.79612185622964.1112.08312174020943.3191.91813197224474.6582.21713185623564.0032.09914208825995.2392.35114197224824.4772.22115220427505.8512.48415208826084.9782.34416232029026.4992.61716220427345.5042.46517243629857.0142.72217232029286.2162.617

145592.83118243630546.8022.73919266831538.1022.93219255231807.4122.85920278432368.6743.03720266833068.0572.98321290033209.2623.14021278434328.7233.10522301634039.8693.24322290035589.4163.227233132348710.4953.348233016368410.1373.349243248357011.1423.449243132381010.8763.469 （2）烟道尺寸的确定方法根据炉

15、子相应燃料燃烧计算出的实际单位燃料烟气生成量Vn和炉子热平衡计算出的燃料最大值消耗量B实，算出烟气总生成量VnB实（标m3/s），再按表6-1中对应烟道的烟气流速W0（标m/s），算出烟气的流通面积F烟。 F烟道=VnB实/(3600W0) m2 （6-4） 根据F烟道，再按表6-3或表6-4中列出的烟道系列，确定相应的烟道断面尺寸（高H、宽W和当量直径dD）。6.2.3计算段中的气流平均温度的确定 在计算气体流动阻力时，气体的密度对其影响较大。对于低压气体，影响其密度的因素主要是温度。气体流动时，由于管壁的散热以及被吸入的冷空气等原因，气体温度降低。所以在计算各段阻力损失时，气体的温度按该段

16、的平均温度计算。 （1）无冷空气渗入 （6-5）式中：流入该段时的气体温度，； t每米长管道（或烟道）中的气体温降，见表（6-5）； L该段计算长度，m。表6-5 散热引起的温降气体温度（）地下砖砌烟道降温(/m)地上砖砌烟道降温(/m)空(煤)气管道降温(/m)无水渗入有少量水渗入并经烟道底排水沟排出绝热不绝热绝热包扎不绝热包扎2003001.531.52.51.03.53004002.0434.51.554005002.553.55.52.065006003.064.576007003.575.5107008004.0880010004.69.2100012005.210.4（2）有冷空气

17、渗入 这种情况主要是针对烟道而言，其平均温度为： （6-6）式中：V废进入该段的废气流量，标m/h； t废进入该段时的废气温度，； C'废进入该段的废气在t废下的比热，kJ/(m3·)，见表1-5； C"废进入该段的废气在t段均下的比热，kJ/(m3·)，见表1-5； V渗渗入该段烟道中的气体流量，标m3/h； t渗渗入该段时的渗入气体温度，； C'渗渗入该段的气体(空气)在t渗下的比热，kJ/(m3·)，见表1-5； C"渗渗入该段的气体(空气)在t段均下的比热，kJ/(m3·)，见表1-5； t每米烟道中气体温降，

18、见表6-5； L该段的计算长度，m。6.3 气体流动阻力损失计算6.3.1摩擦阻力损失 气体在直管段中流动时产生的机械能损失，称做沿程阻力损失。它是因气体与管壁摩擦而造成的能量损失，所以也叫做摩擦阻力损失，用h摩表示。计算公式为： （6-7）式中：摩擦阻力系数，见表6-6； L计算直管段的长度，m； dD管道内径或烟道当量直径，m； W0标准状态下气体的平均流速，标m/s； 0标准状态下气体的密度，kg/标m3； 气体的体积膨胀系数，=1/273； t段均气体在该段的平均温度，。表6-6 各种管道中气体流动摩擦阻力系数管道性质及状态光滑金属管道0.025轻微氧化金属管道0.0350.04有锈金

19、属管道0.045砌砖管道或烟道0.05砌砖烟囱0.050.066.3.2局部阻力损失 由于气体流动通道断面显著变化或改变流动方向而引起的阻力损失，称做局部阻力损失，用h局表示。计算公式为： Pa （6-8）式中：局部阻力系数，查表6-7（见本章最后）； t均产生局部阻力损失时的气体平均温度，。6.3.3几何压头 与通道外侧大气密度相同的冷气体（如冷空气），在垂直流动时不产生几何压头的变化。热气体（如烟气、预热空气和煤气）或与通道外侧大气密度不同的冷气体在垂直流动时就要产生几何压头的变化。这是由于热气体有上浮力的作用。几何压头的计算公式为： Pa （6-9）式中：H热气体垂直流动的距离，m； g

20、重力加速度，9.81m/s2； D通道外侧大气的实际密度（按当地大气最高温度计算，见表5-2），kg/m3； 0标准状态下流动气体的密度，kg/标m3； t均流动气体平均温度，； ±表示几何压头的方向，热气体或密度小于大气密度的冷气体垂直向下流动时为“+”，反之为“-”。6.3.4气体横向流过管束时的阻力损失计算 气体横向流过管束时的阻力损失与管束排数、排列方式、雷诺数等有关。 （1）气体横向流过直(顺)排管束（见图5-3(a)）阻力损失 Pa （6-12）式中：气体横向流过管束阻力系数，见式（6-13）； t均气体在管束中流动时的平均温度，t均=(t入+t出)/2，； 直排管束阻力

21、修正系数，见表6-8。 （6-13）式中：n沿气流方向的管子排数； x1迎着气流方向相邻管子中心距，m； x2沿着气流方向相邻管子中心距，m； 系数。 （6-14） （6-15）式中：d外管子外径，m；表6-8气体流经直排和错排管束时阻力损失修正系数Re(103)4.05.06.08.010203040501.701.601.551.441.371.181.081.001.001.401.361.321.261.221.101.051.000.80.9 （2）气体横向流过错排管束（见图5-3(b)）阻力损失 Pa （6-16）式中：错排管束阻力修正系数，见表6-8。6.4 空(煤)气管道阻力损

22、失计算及鼓风机选择6.4.1空气管道阻力损失计算及鼓风机选择 （1）管道直径的确定 按式（6-3）计算后，查表6-2确定。 （2）计算步骤 绘制管路系统（从鼓风机出口到烧嘴前）简图，可以用单线图表示。并要标明分岔、拐弯的形状和角度以及各部分尺寸（长度、管径）。 分段。按6.1.2中所述分段原则，将管路系统分成若干计算段。 每段中气体平均温度的确定，见6.2.3节。 阻力计算。各计算段分别计算（包括沿程阻力、局部阻力、几何压头等）。管路系统总阻力损失为各段阻力损失之和。对于并联的分岔管路，管路阻力应按损失最大的一个流路进行计算，并力求各分岔段阻力大致相等。 （3）计算方法 为方便计算，减少差错，

23、工程设计中通常采用表格计算法。计算表格形式见表6-9。（4）鼓风机选择选择鼓风机主要是确定鼓风机的额定压力和额定流量。 1）额定压力的确定 鼓风机的额定压力： P(空气管路系统压力损失+流量检测元件和调节阀门压力损失+烧嘴额定供风压力) （6-17）式中： 空气管路系统压力损失，按表6-9计算。 流量检测元件和调节阀门压力损失，由自动化部分的设计计算确定。若尚未确定，可做如下估算：流量孔板压力损失取8001000Pa，阿牛巴流量计压力损失取150200Pa；调节阀门（一般为蝶阀）压力损失取500700Pa，高压煤气管路上的自动调节蝶阀压力损失宜取1.01.5kPa，以保证必要的调节性能。 烧嘴

24、额定供风压力，由烧嘴型号、燃烧能力所需的额定压力确定。 2）额定流量的确定 鼓风机的额定流量： （6-18）式中：B实炉子最大燃料消耗量，标m3(kg)/h，见式（4-23）或式（4-41）； Ln湿燃烧单位燃料实际湿空气需要量，标m3/标m3(kg)，见式（1-11）或式（1-17）； t环鼓风机安装处环境最高温度，。 根据上述计算确定的鼓风机的额定压力(Pa)和额定流量(m3/h)，查阅鼓风机产品目录，选用相应型号的鼓风机。 鼓风机的型号有很多种，表6-10(见本章最后)给出了其中的一种，供参考。表6-9 管道阻力损失计算表分段号1分段名称2风机出口到换热器换热器换热器出口到主分岔处主分岔

25、处到下加热集管端头下加热集管端头到下侧烧嘴通道尺寸分段长度L(m)3另行计算管道规格(外径×壁厚mm)4管道内径(当量直径)d(m)5气体流通横截面积F(m2)6垂直管高度H(m)7气体参数种类8密度0(kg/标m3)9流量V0(标m3/h)10流速W0(标m/s)11平均温度t均()12通道阻力损失Pa摩擦损失摩擦阻力系数131415局部损失阻力简图 阻力系数： i来源(表6-7中序号) n个数 j数值1617h局=·h动18几何压头地区大气最高温度t大气()19大气密度(kg/m3)D=1.293/(1+t大气)20气体密度(kg/m3)g=0/(1+t均)21h几=&

26、#177;9.81H(D-g)22分段阻力损失(Pa)h段=(h摩+h局+h几)23管道总阻力损失(Pa)h总=h段24(+)=注：分段号和分段名称按实际管路系统情况确定。6.4.2煤气管路系统阻力损失的计算 煤气管路系统阻力损失的计算过程同空气管路系统。根据计算结果，验算炉前煤气接点（炉前总煤气管路始端）压力是否合适。如不合适，可采取以下措施：提高供气压力；更换煤气烧嘴类型（选用低压煤气烧嘴）；改变管道走向，缩短管路长度或扩大管路直径。6.5 烟囱计算及排烟机选择6.5.1烟道阻力损失计算烟道阻力损失计算方法和步骤与空(煤)气管道阻力损失相似。 （1）烟道断面积的计算及结构的确定 烟道断面积

27、F烟道：按式（6-4）计算。 烟道结构：按一定要求选定。地下烟道可采用60°或180°拱顶结构，一般采用180°拱顶结构。地上烟道除可采用60°或180°拱顶结构外，有的也可采用平顶结构。对于上排烟的炉子，其上排烟烟道一般采用焊接结构（内衬绝热材料），断面为圆形或矩形。表6-11 烟道阻力损失计算表分段号1分段名称2炉尾竖烟道竖烟道到换热器换热器换热器到烟囱或排烟机入口通道尺寸分段长度L(m)3另行计算断面尺寸(mm)4断面积F(m2)5当量直径d(m)6垂直高度H(m)7气体参数种类8密度0(kg/标m3)9流量V0(标m3/h)10流速W0

28、(标m/s)11平均温度t均()12通道阻力损失Pa摩擦损失摩擦阻力系数131415局部损失阻力简图 阻力系数： i来源(表6-7中序号) n个数 j数值1617h局=·h动18几何压头地区大气最高温度t大气()19大气密度(kg/m3)D=1.293/(1+t大气)20气体密度(kg/m3)g=0/(1+t均)21h几=±9.81H(D-g)22分段阻力损失(Pa)h段=(h摩+h局+h几)23烟道总阻力损失(Pa)h总=h段24(+)=注：分段号和分段名称按实际烟道系统情况确定。 对于采用60°或180°拱顶结构的烟道，根据计算的F烟道面积查表6-3

29、或6-4，确定其具体尺寸（高、宽和当量直径）。对于采用平顶、圆形或矩形结构的烟道，其具体尺寸可自行确定。 （2）计算步骤 绘制烟道系统（炉膛出口到烟囱底部或排烟机入口）简图，可用单线图表示。在简图上标明直线段长度、当量直径以及拐弯处形状和角度。 分段。见6.1.2节所述分段原则。 计算每段中的烟气平均温度。见6.2.3节所述计算方法。 阻力损失计算。分别计算各段的阻力损失及总阻力损失。（3）计算方法采用表格化计算方法，计算表格形式见表6-11。6.5.2烟囱计算 烟囱计算的目的：根据排出炉内烟气所需要的抽力，设计新烟囱或对现有烟囱的抽力进行验证。计算的内容有：烟囱直径和高度。 （1）烟囱直径（

30、内径）计算 烟囱出口直径D囱出 综合考虑烟囱出口气流动能损失及防止发生倒烟现象，烟囱出口气流速度一般取W囱出=24标m/s，则： 烟囱出口截面积： m2 烟囱出口直径： m （6-19）式中：V烟最大排烟量，标m3/h。 烟囱底部直径D囱底 为使烟囱稳定，应使D囱底>D囱出。一般取： D囱底=1.5D囱出 m （6-20） 烟囱平均直径D囱均 m （6-21） （2）烟囱高度计算 烟囱底部的抽力h底抽是由烟囱中废气的几何压头h囱几产生的。但是，烟囱中废气的几何压头不能全部成为有用的抽力，而有一部分用于克服烟囱中废气流动的摩擦阻力h囱摩和烟囱出口气体排入大气时的动头损失h囱出。所以，烟囱中

31、废气产生的几何压头应为： h囱几=h底抽+h囱摩+h囱出 （6-22）式中： （6-23） （6-24） （6-25） （6-26） 把式（6-23）、（6-24）、（6-25）、（6-26）代入式（6-22）整理得烟囱高度计算式为：（6-27） 式中：h道炉膛排烟口到烟囱底部气流阻力损失，见表6-11计算值，Pa； W烟出烟囱出口废气流速，标m/s； 烟烟气密度，见式（1-21）计算值，kg/标m3； t烟出烟囱出口废气温度，； t大气烟囱外侧大气温度，按年最高温度计算（见表5-2），； t烟均烟囱内废气平均温度，t烟均=(t烟底+t烟出)/2，； 烟囱内气流摩擦阻力系数，见表6-6； D囱

32、均烟囱平均直径，D囱均=1.25D囱出，m。（3）设计烟囱时应注意的问题 烟道和烟囱内表面在使用过程中会产生积灰现象，从而增大烟气流动阻力。所以实际设计时应考虑留有余量，实际烟囱高度要大于计算值，一般取： H实=(1.21.3)H计 m （6-28） 考虑烟囱周围环境卫生条件，工厂的烟囱不应低于16m，并要高出烟囱附近（直径100m范围）的最高建筑物5m以上。 对于砌砖烟囱，为砌砖方便，烟囱出口直径不小于800mm。6.5.3排烟机（引风机）选择 排烟机（引风机）是一种强制排烟的机械设备，必须根据生产上的要求正确选用。其选择主要是根据排烟量（烟气实际状态的流量）和压力（抽力）确定引风机型号。

33、（1）排烟量的计算 一般排烟机的常用排烟温度为200，最高为250。 排烟温度低于250 这种情况下，实际排烟量Vt烟为： m3/h （6-29）式中：V烟最大排烟量，标m3/h； t烟出烟道出口进入排烟机处的烟气最高温度，。 例1 某座燃煤锅炉，最大燃料消耗量B=1200kg煤/h，最大排烟量V烟=8160标m3/h煤，最高排烟温度t烟出=210。求实际排烟量（m3/h）。 解：由式（6-29）得： =8160×(1+210/273)=14437m3/h 排烟温度高于250 a) 掺冷风降温 掺冷风地点：一般选择在排烟机入口前不远处，这样可不影响烟道的排烟。 掺冷风后混合气体流量：

34、 为了简化计算，设C烟=C空=C混，则： m3/h； （6-30）式中：Vt混在t混温度下的混合气体流量，m3/h； V烟烟气在标准状态下的流量，V烟=VnB，标m3/h； t烟掺冷风前的烟气温度，； t混掺冷风后的烟气温度（t混<250），； t大气掺冷风温度，取掺冷风处的大气年最高温度，。 例2 已知：V烟=16000标m3/h，t烟=400，t空=35。求：掺冷风后的混合气体流量（m3/h）。 解：设t混=200，由式（6-30）得 =61324m3/h b) 选用耐高温引风机 此时排烟温度下的烟气流量可按式（6-29）计算。 由于耐高温引风机成本较高，一般情况下不采用。 （2）排

35、烟机压力的计算 为了改善操作现场的空气环境，一般情况下，烟气经过排烟机后还要通过一定高度的烟囱，才能排入大气。所以，排烟机所需压力必须包括用以克服炉膛排烟口到排烟机入口的阻力损失h道和排烟机出口到烟囱出口的阻力损失h囱。为了留有余量，实际阻力损失通常取大于计算值的20%30%，即： 总阻力损失 h总=(1.21.3)(h道+h囱) 根据计算所得的排烟量和总阻力损失，选用相应型号的排烟机。 排烟机的型号有多种，表6-12所示为其中的一种，供参考。表6-7 常用局部阻力损失系数注： 空气管路中，气体流经调节蝶阀时的局部阻力损失，一般按其开度= 40°50°时计算； 空气管路中，

36、气体流经插板阀时的局部阻力损失，可以不计算（插板阀一般作为截止阀用，气体流通时全开，不流通时全闭）； 烟道中，烟气流经闸板阀（也称为升降式烟闸）时的局部阻力损失，一般按其开度h/H=0.50.7计算；烟气流经旋转阀时的局部阻力损失，一般按其开度= 4050°计算。表6-10 9-19系列离心通风机型号转速(r/min)序号流量(m3/h)压力(Pa)配用电机功率(kW)型号转速(r/min)序号流量(m3/h)压力(Pa)配用电机功率(kW)No.4A2900182435842.2No.4.5A29001117446034.029703665213974684311163647316

37、1646724126435974183945805141035073.05206244476155833846228142975.5717043253725044112No.5A29001161056977.5No.5.6A29001226371821121932576822714727332254574033167723642576563943619710952844551753996695418.563166532364448670973488508011749016400No.6.3A290013220914918.5No.7.1D2900146101171737238659265255

38、3211868345099219364541180745153905547376115965569088573058144113405566334854369066109357697381487998810426No.8D14501329736207.5No.9D14501469545971523957366525633465534616364736572463245275358415475114551558253507582944453226648433846923342977714432317101714101No.10D145016440554030No.11.2/p>

39、644527942594121115874913944558913132697428410947574041538072365124505498517491692775613952524437619602660971545549587217136246No.12.5D1450112577922975No.12.5D9601832739752221551293902102704043318447931031221340094213819068110414156390752431686785160993741376272518278618042357173018678227199853377No.14D145011767011668132No.14D96011169