硅酸盐工业热工基础15窑炉系统中气体流动

1、1.5 1.5 流体力学流体力学在硅酸盐工业中的应用在硅酸盐工业中的应用v1.5.1气体流动形式v1.5.2窑炉系统中的气体流动v1.5.3烟囱 1.5.11.5.1气体流动形式气体流动形式1.5.1.11.5.1.1窑内气体流动特点窑内气体流动特点 窑内气体运动和气体在管道内、烟道内的运动是不同的。 1）气体在窑内主要依靠从燃烧器或燃烧室流出的气流（煤气和空气）的动能（动压头）向前流动，窑炉对气流阻力小，其动能主要消耗在燃料与空气的混合上; 此外，流股从燃烧室内吸入部分空气也要消耗能量，并且部分动能转换成压力能。 2）窑内压力分布不均匀，气流速度分布也不均匀，同时气流运动的方向取决于入口和出

2、口的条件。 管道内的气体流动特点：管道内的气体流动特点： 1）管道内的气体运动则是依靠静压头向前运动，其能量的消耗主要是局部阻力损失和摩擦阻力损失。 2）管道内如果管道截面不变，气流速度分布基本上是一定的，压力分布也均匀入口和出口的条件对每段都是一样的。1.5.1.21.5.1.2气体流动形式气体流动形式气体流动形式气体流动形式 自然流动：由于窑炉的工作空间各点的气体密度差所产生的力，造成气体的运动，称为自然流动或自然对流 强制流动：在外力作用下产生的强制运动。 外力可以是：喷嘴喷出流股的摩擦力，窑炉空间或管道末端的压强差。 在窑炉中，气体的运动在大多数情况下，是由于气体本身和外力综合作用的结

3、果。其中以外力作用为主。1.5.1.31.5.1.3窑内气体自然分层现象窑内气体自然分层现象1 1、自然分层现象、自然分层现象 冷热两种气体同时并行时，热气体有自然向上流动趋势，冷气体有向下自然流动趋势，这种现象称为自然分层现象。2 2、产生原因、产生原因 1）温度：温度的变化引起密度的变化； 2）窑内负压：hs=P-Pa吸入大量的空气； 3）窑内阻力：h料下h料上，导致Q上 Q下（上下温差引起） 4）窑炉操作的影响 这种自然分层现象会使窑内温差越来越大，对烧成是不利的。 倒烟窑使热气体在窑内倒流，有助于克服自然分层现象； 隧道窑是横烟窑，在其预热带窑内常呈负压，冷空气会从窑车下、窑墙下部孔洞

4、吸入，因而极易造成冷热气体分层现象。v在硅酸盐窑炉系统内,气体的流动大多是属于不可压缩气体的流动。v如气体在窑炉内的水平流动、垂直流动、从孔口和炉门的流出或吸入等均是不可压缩气体的流动。1.5.2 1.5.2 窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动1.5.2.11.5.2.1气体从窑炉内的流出和流入气体从窑炉内的流出和流入1.1.气体通过小孔的流出和流入气体通过小孔的流出和流入当窑炉内外存在压差时，气体将从窑炉的孔流出和流入。当窑炉内外存在压差时，气体将从窑炉的孔流出和流入。小孔的截面积为小孔的截面积为F F ，气流形成的最小截面积为，气流形成的最小截面积为F F2 2 。11常用缩流系数常

5、用缩流系数表示缩流程度表示缩流程度当气流流经小孔后，当气流流经小孔后，形成一个最小截面形成一个最小截面的现象的现象缩流现象缩流现象缩流系数：缩流系数：FF2Laaaahppgzppgz2222111112)()(2)(-）（不同形状孔的不同形状孔的由实验确定由实验确定1-21-2断面的伯努利方程式为：断面的伯努利方程式为：11w w1 1wFF2 2，伯努力方程简化为：伯努力方程简化为： ikshhh21由于气体通由于气体通过小孔时的过小孔时的压差很小压差很小2w2wp-p2222a1)p-(p211wa12)(212appw即：即：速度系数速度系数与流体流出时的阻力有关与流体流出时的阻力有关

6、由实验确定由实验确定 )2)211222aappFppFFV（)21appFV（通过小孔流出的气体流量：通过小孔流出的气体流量：流量系数流量系数= =由实验确定由实验确定通过小孔吸入的气体流量：通过小孔吸入的气体流量：aappFV)21（v 2 2 气体通过炉门的流出和吸入气体通过炉门的流出和吸入 气体通道炉门流出和吸入量的计算原理与孔口相似，但孔口的直径较小，在计算时认为沿小孔整个高度上气体的静压头不变，而炉门有一定的高度、在计算时要考虑沿炉门高度上的静压头变化对气体流出和吸入量的影响。 无论是哪种形状的炉门，单位时间内通过微元面积dF的流量，可用气体面过小孔的流量公式来计算：)(22azP

7、PdFdVv 对于矩形炉门，设炉门的宽度为B，高度为H，在距窑底(假定此处为零压)z处取一微小单元带，高度为dz(见图)，此微小带元带的面积dF为：v dF=Bdzv由于窑底处（z=0）为零压，所以窑底与高度z之间的热气体伯努列方程可简化为：v dzzgBzgBdzdVPPzghhazazazaszg210)(2)(2)(即以z-z为基准面v对于整个炉门的气体溢出量用积分求得v为了简化汁算，将上式中的流量系数看作常数，认为是整个炉门上的平均流量系数积分后得矩形炉门气体体积流出量的计算公式：dzzgBVzza2121)(2;:,;62.052.0)()(23221231232mzzmBzzgBV

8、a上缘至零压面距离，炉门下缘和：炉门宽度，：炉门流量系数，v炉门气体体积流出量的近似计算公式；。距离，炉门中心线至零压面的炉门截面积，mzBHFmFgzFVa:;,:)(2020pw2pFwFV22apFwFV22流出的气体流量流出的气体流量: : 流入的气体流量流入的气体流量: :炉门或孔洞平炉门或孔洞平面图形重心处面图形重心处的平均表压强的平均表压强3.3.倒烟窑工作空间沿高度的压力分布倒烟窑工作空间沿高度的压力分布例：例：一倒烟窑全高为3.2m，料跺高2.8m，窑炉内烟气温度为1200，烟气的标准状态密度为1.3kg/m3，窑外空气温度20 ，试分析当零压面在窑底、窑中和窑顶时窑炉内压力

9、分布。解：解： 取1-1和2-2截面，以1-1面作为基准面，考虑到hk1=hk2,则伯努利方程为 hs1=hs2+hg2+hl1-2求得气体和空气的密度如下PahPahPahPahPaPahHghhhhmkgTTmkgTTsssslgalgssaagg83.32415.16415.1683.32:83.328 . 298. 0)24. 02 . 1 (8 . 92 . 3)(/2 . 12027327329. 1/24. 012002732733 . 12211212112130020300200当窑炉顶为零压时：当窑中为零压时：当窑底为零压时v以上说明三种情况窑内压力分布以上说明三种情况窑内

10、压力分布，如图所示。，如图所示。 1）当窑底为零压时，窑内是正压，热气体将从空洞漏出； 2）当窑顶为零压时，窑内是负压，窑外冷空气将吸入窑内； 3）当窑中为零压时，窑底上部为正压，下部为负压，漏气和吸气现象都不严重。4.4.烟囱底部负压计算烟囱底部负压计算将窑炉通道按温度变化情况划分为若干段，如a、b、c段a段： hs1+hg1+hk1=hs2+hg2+hk2+hl1-2b段： hs22+hg22+hk22=hs3+hg3+hk3+hl2-3c段： hs33+hg33+hk33=hs4+hg4+hk4+hl3-2由于各段气体平均密度不同，因此，hg2与hg22、hk2与hk22.不相等。将三方

11、程相加，若干静压头可消去。同时按一般工程计算要求，可以认为hk2与hk22、hk3与hk33相等。 则得hs1+hg1+hk1+hg22+hg33=hg2+hg3+hs4+hg4+hk4+hl1-4Hk4=hs1+（hg1+hg22-hg2+hg33-hg3-hg4）+（hk1-hk4） -hl1-4 分析上式可以看出，右边的第2、第3、第4项都是负号。第2项是气体由1-1截面至4-4截面位压头的增加，第三项是气体动压头的增加。因此，在计算时可以把位压头和动压头的增加，看成好像是一种“压头损失”。它们与真正的压头损失相加的总压头损失是由最初的静压头来补充。此时 这些“损失”之和大大超过最初的静

12、压头，因而总是一个不小的负值。通常不说烟囱底部的静压头，而常说“负值”。hk4=hs1-hg-hk -hl1-41.5.3 1.5.3 分散垂直气流法则分散垂直气流法则分散垂直气流分散垂直气流一股气流在垂直通道内一股气流在垂直通道内被分割成多股平行被分割成多股平行小气流的现象。小气流的现象。法则法则在分散垂直通道内，热气体应自上而下流动，在分散垂直通道内，热气体应自上而下流动，冷气体应自下而上流动，才能使气流温度分布均匀。冷气体应自下而上流动，才能使气流温度分布均匀。适适用用 条件条件几何压头几何压头起主要作用的场合起主要作用的场合v气体垂直流动的方向对水平方向的温度分布有很大影响。如气体在倒

13、焰窑的料垛之间，立式蓄热室的格子体内的流动，都可以看作是分散垂直气流。v在设计倒焰窑和蓄热室时，总是使热气体自上而下地流动，冷气体自下而上流动，使气体的流动遵循分散垂直气流法则。v下面用热气体的伯努利方程式来说明此法则。假设气体在垂直方向运动，假设气体在垂直方向运动，hlhl很小，很小，hgehge起作用起作用1 1）热气体被冷却）热气体被冷却热气体从下往上流动热气体从下往上流动 假设假设后由于某种原因，使后由于某种原因，使则则 21tt 不均匀气体在通道内温度分布通道内流量增加通道内流量减少，此时几何压头为推动力2121211)(ttQQbahHghgeage分散垂直气流法则分散垂直气流法则21tt21t1t2热气体从上往下流动热气体从上往下流动 假设假设后由于某种原因，使后由于某种原因，使则则 21tt 2112121211)(tttQQhhhhHghgegegegeage为阻力，21tt212 2）冷气体被加热）冷气体被加热 冷气体由上往下流动冷气体由上往下流动假设假设后由于某种原因，使后由于某种原因，使则则 21tt 2112112112111)()(ttttttQQQhhhHghgegegeage）相对处的冷气体越来越多，处的冷气体越来越小，（为推动力，）（21tt2