热力学工程与设备 第一章 气体力学在窑炉中的应用

第一章气体力学在窑炉中的应用第一节气体力学基础第二节窑炉系统中不可压缩气体的流动及应用第三节窑炉系统中可压缩气体的流动第一节气体力学基础一、气体的物理属性1、压缩性与膨胀性（气体状态方程）——气体受压、遇冷收缩，受热、减压膨胀的性质。压缩性:体积随压强变化的性质膨胀性：体积随温度变化的性质在温度不过低（T-20℃），压强不过大（p200atm）时，气体遵守理想气体状态方程pv=RT其中，R=8314.3/M(J/kg.K)，单位：P--Pa,T--(K)RTP/或(常用）1)T=C时，等温过程，既p/ρ=C，表明压强与密度成正比则p↑，ρ↑，说明气体具有压缩性。但在压力p变化较小时，气体的密度变化也很小，可以认为是不可压缩气体。一般地：将压强变化小于10%的气体均看作是不可压缩气体。在建材行业中：窑炉中的气体可看作是不可压缩气体；在某些高压喷嘴中，应将气体视作可压缩气体。讨论：RTP/2).p=C时，ρT=C，说明密度与温度成反比，也说明气体具有膨胀性当T↑，则ρ↓，问题：100℃的空气与20℃的空气那个密度大?RTP).3表明同一种气体不同状态下压强与密度、温度乘积之比为一常数若气体在标准状态（t0=0℃，p0=1atm）的参数，与静压为p，温度为t时的参数之间的关系为：111000TPTP4).若气体在管内流动，则121111,,wFm2222,,,wFm21mm222111TPTP由122121TPTP得到：222111wFwF即(1)22121121wFTPwFTP将其代入（1）则：)2(,F21122121212121TTPPwwuTPuTPF即：则有若)3(,P212121TTwwP则有：若常压下，说明：速度与温度成正比μ-动力粘度或动力粘滞系数。单位:N.s/m2或kg/m.s或Pa.sdydw2、粘性定义：流体内部质点或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质与动力粘度μ对应的是运动粘度υ，二者的关系是1）牛顿内摩擦定律（粘性定律)运动粘度υ的单位是m2/s式中，n——混合气体的种类数；μm——混合气体的粘度；Mi、αi、μi——混合气体中各组分的分子量、体积百分数、粘度。niiiniiiimMM1211212）混合气体的粘度计算公式：3）影响黏度的因素液体：主要取决于分子间的内聚力.温度T增大，分子间距增加，内聚力减小，黏度降低气体：主要取决于分子热运动.温度T增大，分子热运动增强，黏度增大•3.气体的浮力液体：一般不考虑其浮力的作用气体：考虑其浮力的影响。例如：两个同样大小的流体柱，高10m2,截面积为1m2热烟气水3/6.0mkg烟气3/1000mkg水./2.13mkg空气已知N6.1178.92.1110：则水和空气的浮力相同NN8.588.96.0110981008.91000110气柱重：水柱重：但：不可以忽略对于烟气柱，气体浮力同数量级，与以忽略。对于水柱，气体浮力可NNNN6.1178.58,6.11798100二、气体动力学基本方程式•质量守恒原理——连续性方程•热力学第一定律——能量方程（柏努利方程）•牛顿第二定律——动量方程（一）、连续性方程方程适用条件：可压缩流体，恒定流和非恒定流。0zuyuxuzyx0)(udiv在流场中取微元六面体，根据质量守恒定律，推出空间流动的连续性方程矢量形式：2）对于不可压缩流体，ρ=常数，上式变为：0zuyuxuzyx0)(udiv0zuyuxuzyx0)(udiv0zuyuxuzyx讨论1）对于定常流动:运动参数不随时间变化，则即0上式变为：即（二）、二气流的柏努利方程•复习：流体力学中柏努利方程式212222211122lhgwpzgwpz适用条件：a)不可压缩流体；b)质量力仅有重力；c)恒定流动注意问题：基准面的选择一定在下方（单位重量流体,m）)(222122222111Pahwprzwprzl则：若用单位体积来表示12（气体常用）1、方程的推导假设条件：不可压缩流体；质量力仅有重力；恒定流动。二气流的柏努利方程:指热气体在冷气体的浮力作用下的热运动方程212222211122lhwpzwpz2211aaaapzpz2122222211112)()(2)()(laaaahwppzwppz对于热气体对于冷气体(a)(a)-(b)得(c)(b)21z1P2,w2P1,w1热气体z2冷气体基准面0Pa2Pa1如图：假设为硅酸盐窑炉，窑内为热气体，窑外为冷气体，取1、2两个有效断面选0-0为基准面，则1与2截面之间的柏努利方程：因为热气体arr所以，方程变为令H1=-z1，H2=-z2，则规定：运用该方程，取基准面在上方，向下为正，向上为负。2122222211112)()(2)()(laaaahwppzwppz(d)2122222211112)()(2)()(laaaahwppHwppH(e)21H2P2,w2P1,w1热气体H1冷气体基准面0Pa2Pa1其中：)(ageHh几何压头aspph静压头22whk动压头)21(lh阻力损失)21(222111lksgeksgehhhhhhh(Pa)区别流体力学：z1、z2为流体力学中，向上为正，向下为负；H1、H2为热工工程中，向上为负，向下为正(e)方程就是窑炉中二气流的柏努利方程，还可以写成2122222211112)()(2)()(laaaahwppHwppH(e)•2、方程的物理意义:表示流动过程中能量的守恒关系。注意区别：流体力学中的柏努利方程式：表示单一流动绝对能量的守恒；二气流柏努利方程：表示相对能量的守恒（热气体相对于冷气体）。即：二气流柏努利方程中的各项都表示单位体积的热气体所具有能量与外界单位体积的冷气体所具有的能量之差。结论：冷气体中的热气体，绝对压强，越向下越大；相对静压强，越向上越大。aspph1）相对静压头物理意义：热气体相对于外界同高度冷气体压强的值(相对压）。如图热气体P1Pa1hγaγP0Pa001以0面为零压面，则：hPP10hPPaaa10)(11aahPP热气体：冷气体：两式相减得：即：)(1ashh而绝对压强：p1=p0-γh，h↑，p1↓。故相对静压头：h↑，hs1↑；因此，相对几何压头可以理解为单位容器面积的上升力；或：反映为气体所具有的上升作功能力，或：气体所具有的相对位能。故：H↑，或γa↑，或γ↓，均使hge↑)(ageHhAFFFAAVHhaage升力重力浮力）(1)()(2）相对几何压头若变换γaγHA基准面V物理意义：单位体积热气体相对于外界同高度冷气体位能之差。注意：几何压头仍具有相对的意义，只不过将外界空气的速度视为零而已。22whk)21(lh3）动压头物理意义：单位体积的热气体所具有的动能。物理意义；表示两截面间单位体积的热气体损失的总能量。即：摩擦阻力损失和局部阻力损失的总和。4）压头损失：2222)21(wwdlhhhelfl•3、压头间的相互转换及压头转换图用图表征能量之间的转换关系gehkhsh)21(lh例1：如图，热气体在等直径垂直管内自上而下流动,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程：)21(222111lksgeksgehhhhhhh分析：取1-1为基准面，则几何压头:01geh静压头：21sshh动压头：21,21kkhhww阻力损失0)21(kh21热气体则方程变为：)21(221lgesshhhh02geh1)shgeh与间转换所以：由于)21(kh必须由动能转换而来。转换而来是由sgehh21热气体1kh2kh2geh)21(kh1sh2sh1kh2kh2geh)21(kh1sh2sh压头转换图画法：分析方程，分析1与2截面上的压头变化的大小)21(222111lksgeksgehhhhhhh相当于阻力1geh又因为：符号相同与）（2-1lgehh所以：注意检验能量的的平衡例2：如图，热气体在等直径垂直管内自下而上流动,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程：)12(111222lksgeksgehhhhhhh分析：取1-1为基准面，则几何压头:静压头：21sshh动压头：21,21kkhhww阻力损失0)12(lh则方程变为：)12(212lgesshhhh01geh02geh同例1)12(lh必须由动能转换而来。所以：转换而来是由sgehh相当于推动力1geh但：符号相反与）（1-2lgehh所以：21热气体γγa压头转换图画法：分析方程，分析1与2截面上的压头变化的大小21热气体1kh2kh2geh)12(lh1sh2sh1kh2kh2geh)12(kh1sh2sh)12(111222lksgeksgehhhhhhh注意：当热气体从下向上运动时，几何压头相当于推动力当热气体从上向下运动时，几何压头相当于阻力最后检验能量的的平衡例3：如图，热气体在减缩垂直管内自下而上流动,取有效断面1-1与2-2。列二气流伯努利方程：)12(111222lksgeksgehhhhhhh分析：取1-1为基准面，则几何压头:静压头：21sshh动压头：21,21kkhhww则方程变为：)12(21212)()(lkkssgehhhhhh01geh02geh阻力损失0)12(lhγa热气体21γ由此式可以看出：shgeh由转换而来kh2)shgeh与间转换kh压头转换图画法：分析方程，分析1与2截面上的压头变化的大小)12(111222lksgeksgehhhhhhh1热气体2γaγ1kh)12(lh1sh2kh2geh2sh1kh)12(lh1sh2kh2geh2sh0,021sshh则若取压头转换图画法：1kh)12(lh2kh2geh2sh错的画法)12(111222lksgeksgehhhhhhh热气体21γaγ1kh)12(lh2kh2geh2sh正确的画法注意正负能量分开，最后检验能量平衡小结：压头转换图画法•1）首先列二气流伯努利方程•2）取基准面（一定取上截面为基准面）•3）分析各截面的压头项的大小•4）画出的压头转换图应该为矩形或平行四边•形（有负压头时）•5）最后通过图检验能量平衡（三）、动量方程——动量守恒定律)(12uuVF)(12xxxuuVF)(12yyyuuVF)(12zzzuuVF或：第二节窑炉系统中不可压缩气体的流动一、气体从窑炉内的流入和流出二、分散垂直气流法则三、引导气体流动的设备－烟囱一、气体从窑炉内的吸入和流出当正压操作时，P1Pa,气体从窑炉内流出。当负压操作时,P1Pa,气体从窑炉内吸入。2211pap11221pap1、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，由于惯性作用，气体会发生收缩，在小孔处形成一最小截面.这种现象称为“缩流”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令小孔截面积为F，最小截面面积为F2A)流出情况（即正压操作时）即：FF