流体力学在硅酸盐工业中的应用

流体力学在硅酸盐工业中的应用2.1窑炉系统内的气体流动一、教学要求【掌握内容】（1）气体从小孔中流出和吸入窑炉时流量的计算（2）气体通过炉门的流出和吸入窑炉时流量的计算（3）分散垂直气流法则的内容【理解内容】利用伯努力方程分析小孔或炉门溢气【了解内容】利用伯努力方程验证分散垂直气流法则二、教学重点与难点教学重点】小孔、炉门溢气计算【教学难点】伯努方程的分析应用三、教学方法分析硅酸盐工业生产的实例，强调基础理论的应用，讲解计算方法。四、教学内容2.1.1不可压缩气体的流动2.1.1.1气体流出和吸入窑炉1、气体通过小孔的流出和流入如图，容器中的低压气体的压强为P，密度为，容器壁上有一个出口面积为F的小孔或喷嘴，外界大气压为Pa，在压差P-Pa的推动下，气体从小孔流出。气体流出时，静压能转变为动压头，在流出气体的惯性作用下，气流发生收缩，在Ⅱ截面处形成一个最小截面，这种现象称为缩流。缩流系数：列出容器内任一截面Ⅰ及小孔外流股最小截面Ⅱ的伯努力方程：因Z1=Z2.，，所以；因F1F2，w1w2，所以可忽略；又因P2=Pa，所以，气体伯努力方程简化为：即：令速度系数则；通过小孔截面流出的气体体积流量为：通过小孔截面吸入的气体体积流量为：缩流系数、速度系数和流量系数的值由实验确定，可查表。2、气体通过炉门的流出和吸入分析：气体通过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强不变，而炉门有一定的高度，在计算时要考虑炉门高度上静压强变化对气体流出和吸入量的影响。流入、流出炉门的气体量及流速：或利用下面公式计算：式中F—炉门截面积，m2，z0—炉门中心线至零压面的距离，m、【例题】耐火材料倒焰窑的炉门高为1.8m，宽为0.9m，炉内热烟气平均温度为1400℃，烟气的标况密度为1.32kg/m3，外界空气密度为1.22kg/m3。已知炉底面的表强为－6Pa，求当炉门开启时，通过炉门的小时溢气量。(设流量系数为0.7)【解】烟气密度：求炉门溢气，必须先求出零压面，零压面以上为正压，热气溢出，零压面以下为负压，冷空气吸入。设零压面在窑底上方x处，以窑底为基准面，列窑底1－1面与零压面的静力学方程：零压面以上1.2m的炉门溢气，面积形心（A点）的静压强为：零压面以下0.6的炉门吸入冷空气，面积形心（B点）的静压强为：零压面上方炉门溢气量为：零压面下方炉门吸入冷空气量为：2.1.1.2、分散垂直气流法则在窑炉中，当一股气流在垂直通道中被分割成多股平行小气流时，叫分散垂直气流。如玻璃窑中气体通过蓄热室格子体；水泥立窑中气体通过物料；倒焰窑中烟气通过制品等。分散垂直气流法则：当热气体流过通道被冷却时，应自上而下流动；当冷气体流过通道被加热时，应自下而上流动。气体在各通道中分布均匀，否则分布不均匀。证明：假定气体在垂直通道中自上而下流动，至1截面分成两股，在2截面处又汇合成一股，如图：以1－1截面为基准面，列出1－1、2－2截面的伯努力方程：a通道：因为hg1,a=0，hk1,a=hk2,a，方程简化为：b通道：要使温度在a、b通道内均匀分布，必须使a、b通道两端的静压差相等，即：在a、b通道内温度均匀分布的条件是：当hg∑hl时，即几何压头对于气流温度分布的影响可以忽略不计时，温度在a、b通道内的分布将与气流方向无关，主要决定于两通道内的阻力损失，当两通道的阻力损失相等时，温度在a、b通道内就能均匀分布。当∑hlhg时，即阻力损失对于气流温度分布的影响可以忽略不计时，温度在a、b通道内分布将决定于几何压头的作用。若a、b通道高度相等，两通道的几何压头是否相等决定于通道的气体密度。若热气体自上而下经过a、b通道，当tatb时，，hg2,ahg2,b。热气体自上而下流动时，其几何压头为阻力，因而a通道内的总阻力减少，Va增大，Vb减少。Va的增大会使ta升高，致使ta=tb，，hg2,a=hg2,b，造成热气体在通道内的温度均匀分布。若热气体自下而上经过通道时，几何压头是推动力，温度越高，几何压头越大，推动力大，气体流量越大a通道温度低，流量越来越小，温度越来越低，造成恶性循环。可见热气体被冷却时，采用自上而下的流动方式时，流量（温度）在各通道中会自动分布均匀。同理可证明，冷气体被加热时，采用自下而上流动时会自动分布均匀，相反的流动方向分布不会均匀。2.1.2可压缩气体的流动（自学）2.2烟囱和喷射器一、教学要求【掌握内容】（1）烟囱的工作原理（2）烟囱的热工计算【理解内容】利用伯努力方程分析烟囱的工作原理【了解内容】烟囱热工计算的注意事项二、教学重点与难点【教学重点】烟囱的工作原理及热工计算【教学难点】烟囱的热工计算三、教学方法分析生产的实例，强调基础理论的应用，讲解计算方法。四、教学内容2.2.1烟囱2.2.1.1烟囱的工作原理1、烟囱的排烟原理：由于烟囱有一定的高度，烟囱中的热气体受到大气浮力的作用，而具有一定的几何压头，在烟囱底部造成负压—“抽力”。如果这种抽力正好能克服气体在窑炉中流动的各种阻力，就能使窑内热气体能源源不断地流入烟囱底部，并通过烟囱排入大气。烟囱的抽力，可用烟囱底部和顶部出口截面的伯努力方程求得：取2－2截面为基准面，则有：此时方程各简化为：即：烟囱底部负压的绝对值称之为抽力，用hc表示。上式表明，烟囱的抽力是由烟囱的几何压头形成的。但烟囱中气体所具有的几何压头并非全部转为有用的抽力，实际上一部分要用于克服烟囱本身气体流动的摩擦阻力和满足烟囱中气体动压头增量。2、影响烟囱抽力的因素：（1）烟囱的高度：H↑，hc↑，烟囱排烟能力强。（2）烟气平均温度：tav↑，ρav↓，hc↑（3）空气平均温度：ta↑，ρa↓，hc↓（4）空气的湿度：ψ↑，ρa↓，hc↓故：高度一定时，hc冬天＞hc夏天（5）海拨高度：海拨高度↑，大气压↓，ρa↓，hc↓2.2.1.2烟囱的热工计算1、烟囱的直径（1）烟囱顶部直径（m）分析：速度大，直径小，阻力大；速度小，直径大，投资大，有倒风现象。施工要求：砖烟囱和混凝土烟囱d≮0.8m，顶部厚度≮24cm。（2）底部直径：①小型铁皮烟囱通常上下直径一般大圆筒形，也有用砖砌成的方形。②大型的砖、混凝土烟囱是底部直径大的锥体形，斜率为1～2%。底部直径为：2、烟囱的高度确定烟囱的高度不仅要考虑热工要求，还要考虑环保要求。机械通风：环保要求高于热工要求自然通风：热工要求、环保要求同样重要（1）烟囱高度确定的方法：据烟囱抽力公式计算因烟囱本身的摩擦力及动压头增量比窑炉系统的总阻力小得多，故烟囱高度也可以近似计算：或式中Σh—窑炉系统的总阻力（烟囱抽力数值上与Σh相等），即：a、克服窑炉沿途的摩擦阻力；b、克服各种局部阻力；c、当气体由上向下流动时，要克服几何压头作用；d、满足动压头的增量。（2）烟囱高度计算的步骤：A、估算高度（储备系数K=1.2～1.3）B、烟囱出口温度C、烟囱内平均温度D、烟气的平均密度E、计算出烟囱高度与估计高度误差＜5%，即：5%3、烟囱热工计算的注意点（1）用夏季最高气温计算空气密度，以保证烟囱在任何季节都有足够的“抽力”。（2）当空气湿度较大时，计算时必须用湿空气密度。（3）高原地区应考虑大气压的影响，见图1－45。（4）如有机场，应不防碍飞机的升降，高度＜20m。（5）烟囱高度应符合环卫部门规定中各种有害物质的排放标准，尽量减少公害。（6）应考虑对农作物的影响（7）要充分估计烟道积水、积灰和烟囱严密程度对抽力的影响。（8）数台窑合用一烟囱时，应注意：计算高度：hc=hc,max计算直径：V=V1+V2+V3+……【例题】设有一个窑炉,其生产的废气量为8000Bm3/h，废气的标态密度为1.34kg/Bm3，废气离窑到达烟囱底部的温度为600℃，自窑内到达烟囱底部的过程中，窑炉系统的总阻力为180Pa，外界空气温度为30℃。试计算烟囱的直径和需要的高度。【解】(（1）计算烟囱直径取烟囱出口处的气体流速，则：烟囱底部直径：D=1.5d=1.5×1.2=1.8(m)（2）计算烟囱的高度烟囱底部废气的密度：周围空气的密度：估计烟囱高度：烟囱顶部温度：烟囱中废气平均温度：烟囱中废气平均密度：烟囱顶部废气流速：烟囱的平均平均直径：烟囱中废气平均速度：烟囱高度：与估计估计估计高度相差不大，不必重算。