窑炉系统内的气体流动

§1-2窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动主要有三种类型：（1）不可压缩气体的流动，=const（2）可压缩气体的流动，const（3）射流（流股）当前1页，总共51页。1不可压缩气体的流动在高温窑炉中，由于气体的组成、温度和压力的变化，气体的密度是渐变的。但若截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通道、局部孔口等作为研究对象，则可视为恒密度（不可压缩）气体的流动。即当温度波动大时，取等温段分段考虑。当前2页，总共51页。1.1气体通过炉墙小孔的溢出和吸入如图列1-1至2-2截面伯氏方程：(3)∵

p2=pa

∵是水平流动（Z1=Z2），且气体通过小孔时压差很小（1=2）(2)∵F2«F1

w1«w2，w10∴

hk10∴hge1=hge2∴hs2=0[分析]当前3页，总共51页。因此上面伯式可改写成：hs1=hk2+∑hL,1-2=(1+ξ)

hk2∴溢气量：当前4页，总共51页。流量系数：=其中：缩流系数：=F2/F速度系数：同理，当hs1<0时，1-1截面为负压，计算时取绝对值，书写时以“吸入”区别于“溢出”，（即此时是对冷空气列伯氏方程）：吸气量：（P13页表1-3）当前5页，总共51页。推论：设零压面在下面，约定上游在窑内，下游在窑外，进一步讨论距零压面以上高度

Z处炉墙小孔的溢气情况：则：由上下垂直方向的静力学方程（设基准面在Z高度处)：

hge(零压面)=hs(Z高度处)＝hk2此推论可解决炉门问题!即：

Z(a-)g=pZ-pa

=当前6页，总共51页。1.2气体通过炉门的溢出和吸入炉门中心线零压面ZdZZ1Z2Z0BH当前7页，总共51页。炉门宽B，高H，微元面积：dF=BdZ通过微元面的溢气量:整个炉门的溢气量：当前8页，总共51页。将上式中的流量系数看作常数（整个炉门的平均流量系数

），则炉门溢气量：（精确计算）用牛顿二项式展开后得：∴（近似计算）[结论]：炉门越宽、越高，漏气量越大。吸入问题以此类推。当前9页，总共51页。1.3分散垂直气流法则水平方向温差：

t=t

1-t

2加热时，气流向下流，

t冷却时，气流向上流，

t当前10页，总共51页。如图：并联通道，设为等径(等截面)，热气体1122AB∵等截面，hk1

=hk2∴-hs=hge+hL.1-2又∵A、B两通道是并联的∴A、B两通道静压差相等即:-hsA=-

hsB列1-1至2-2截面的伯氏方程为：当前11页，总共51页。即：A、B两通道流量（温度）分布相等的必要条件是——二者的总阻力相等。＝？∴

当hge»hL.1-2时，温度是否分布均匀决定于：当前12页，总共51页。则：A>B

假设扰动，使tA<tB，即A通道推动力<QVA>QVBtA直至tA=tB

相反，若气体自下而上流动(此时几何压头是推动力)，则当发生扰动使tA<tB

时：A>BQVA<

QVBtA，即A通道阻力<当前13页，总共51页。结论:（1）烟气(热气体)加热制品时，热气体从上向下走叫“倒焰”(此时几何压头为阻力)，水平温差小；（2）空气冷却制品时，冷气体从下向上升叫“升焰”(此时几何压头为推动力)，水平温差小。当前14页，总共51页。当前15页，总共51页。分散垂直气流法则的使用条件(适用条件)：

应用于几何压头起主要作用的通道，如传统的倒焰窑、蓄热室等。分散垂直气流法则不适用于：（1）阻力很大的窑；（2）流动速度很大或者说压差大的窑。作业：Ｐ64页1-5当前16页，总共51页。2可压缩气体的流动即：p/p020%，或者p

±20kPa时2.1音速和马赫数音速（a）：声波在气体中的传播速度，或者说是声波在弹性介质中的传播速度。声波是因机械振动引起的机械弹性波，是纵波（压缩、放松交替进行）。当前17页，总共51页。其中：——音速，m/s

E——介质的弹性模数，w/m2

——介质的密度，kg/m3因声波在气体中的传播速度很大，引起的温度变化很微弱，可以认为是绝热可逆（等熵）过程。由理想气体的多变方程，得声波在静止流体及静止理想气体中的传播速度为：当前18页，总共51页。若介质为空气，=1.4，R=287（J/kg·K）则空气中的音速为：t/℃a(空气中音速)/(m/s)-203190331+20343

可见，音速是气体（介质）温度的函数，是一个状态函数；音速的大小反映了气体的可压缩程度；音速的方向与飞行物飞行方向相反。当前19页，总共51页。其中：Ma<1，w<，为亚音速流动马赫数：气体实际流速(w)与当地音速(a)之比«1，w0，为不可压缩气体流动1，w，为跨音速流动>1，w>，为超音速流动当前20页，总共51页。2.2可压缩气体通过渐缩喷嘴喷出罐内(0-0面)：ws0，滞止状态（static）

滞止参数：ps、Ts、sws(0)如图2-2截面（出口处）：w达到最大。流动过程中：p、w、、T即气体在流动过程中，不仅hs（p）

，而且内能（T）；当前21页，总共51页。2.2.1压强变化规律流动过程中：ps>p1>p2=pa可看成是绝热可逆（等熵）过程，其状态方程（理想气体多变方程）：或：其中：

为绝热指数，=Cp/CV

单原子气体：=1.6双原子气体：=1.4多原子气体：=1.3当前22页，总共51页。——任一截面处压强（p）与之比，恒等于滞止状态下ps/s之比。即：2.2.2密度变化规律由上得：其中：p1/ps<1，1/<1，所以1/s<1，

即

1<

s当前23页，总共51页。2.2.3温度变化规律绝热过程p相当于膨胀，内能，所以T

其中：p1/ps

<1，(-1)/<1所以：T1/Ts

<1，即T1<Ts将代入得：另，由理想气体状态方程得：当前24页，总共51页。2.2.4流速与流量变化规律根据能量守恒原理，系统内单位质量气体的能量：[J/kg]对于可压缩气体，T、、w变化很大，位能与其它各项能量相比很小，故可略去，得下式：----------------(1)当前25页，总共51页。∵U=CVT，，R=CP－CV，∴代入(1)式得：------------------(2)当前26页，总共51页。又∵单位质量气体的热焓：代入(2)得：----------------(3)以上是可压缩气体能量守恒的三种表达方式。当前27页，总共51页。(3)(2)(1)内能形式压强形式热焓形式当前28页，总共51页。由(2)式得：代入上式得：其中：

ws0，当前29页，总共51页。同理，由得流速的三种解法：当前30页，总共51页。质量流量为（）：实际气体流动时，有能量损失，是非等熵过程，所以：w2´=w2Qm´=Qm、与实际流动状态有关Re106时，＝0.96~0.99

=0.99当前31页，总共51页。2.2.5极限流速及临界速度极限流速（p20，即向真空喷出）：此时，Qm=0(真空状态下气体的密度趋于零)实际上因绝对真空是不可能达到的，所以气体的喷出速度也不可能达到极限速度。当前32页，总共51页。环境压强从pa=ps开始可连续调低，出口断面压强为p2（p2又称背压或反压）。实验发现：开始时，p2随pa的而，并保持p2＝pa;当pa降至某一值后，p2不再随pa的降低而变低，而是保持一定值不变（并高于环境压强，即p2>pa）当前33页，总共51页。wmaxcrwQmABCDEFGW2=f1(p2/ps)Qm=f2(p2/ps)Qm,max临界状态是流量最大状态此时：w2=w2,cr=a（等于当地音速）

cr=p2,cr/ps

（临界压强比）拥塞效应——流量达到一定值后，流速不再随压强比的减小而继续增大的现象。当前34页，总共51页。由流量方程对压强比（）求导并令其等于零同理可推得：即令：得：当前35页，总共51页。（2）温度比（3）音速比（4）临界流速（5）最大流量（1）密度比当前36页，总共51页。2.3可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴的流动拉伐尔（Larals）喷嘴（nozzle）：2-2断面(喉部)：Ma=12-2断面以前(收缩段)：Ma<12-2断面以后(扩张段)：Ma>1当前37页，总共51页。气体参数与流速的关系（由能量方程和理想气体状态方程导出）当前38页，总共51页。(2)流速与截面积的关系(由连续性方程导出)(c)超音速流动时：Ma>1，(Ma2-1)>0∴dFdw

正消长关系(a)亚音速流动时：Ma<1，(Ma2-1)<0∴

dFdw

负消长关系

(b)跨音速流动时：Ma1，dF、dw不变当前39页，总共51页。3气体射流射流——气流经管嘴喷射到空间中去时，由于气流脱离了原来限制它流动的管道的限制而在空间继续扩散流动，这种气体的流动叫射流。射流分类：(1)按流动状态分类：层流、湍流射流；(2)按喷入空间大小分类：自由射流、受限射流。硅酸盐窑炉中大都是湍流状态下的受限射流。当前40页，总共51页。3.1自由射流(1)等温自由射流无限大空间、静止介质、介质的t、与喷出气流的相同。气流由喷嘴喷出后，不受固体边界的约束，在足够大的空间内自由扩张称为自由射流。当前41页，总共51页。质量流量Qm动量mw压强p中心速度wc动能(1/2)mw2w0wc=w0wc<w0(wc=0)FEDCBAG极点M内边界外边界转折面x核心区开始段主段边界层当前42页，总共51页。自由射流特点：

(1)近似一维流动(2)等压过程(3)动量守恒（mw=const）(4)质量流量增大（Qm）(5)动能减小(6)各截面上速度分布相似经验公式：w/wc=[1-(r/Rx)3/2]2——相对速度是相对位置的函数当前43页，总共51页。(2)非等温、非等浓度自由射流当周围气体的t、与喷射气体不同时，介质与喷射气体间有热量和质量交换。由于传热和传质速度的差异不十分大，可认为近似相等，所以其特点（规律）近似等温等密