1.2_窑炉系统内的气体流动

陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动1陕西科技大学材料科学与工程学院§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）陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动2陕西科技大学材料科学与工程学院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。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动3陕西科技大学材料科学与工程学院1.1气体通过炉墙小孔的溢出和吸入)21(222111Lksgeksgehhhhhhh如图列1-1至2-2截面伯氏方程：(3)∵p2=pa(1)∵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，w10∴hk10∴hge1=hge2∴hs2=0[分析]陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动4陕西科技大学材料科学与工程学院因此上面伯式可改写成：hs1=hk2+∑hL,1-2=(1+ξ)hk2∴)(2)(211112aappppw溢气量：)(2)(211222aappFVppFFwwFV＝＝溢溢221211wppa陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动5陕西科技大学材料科学与工程学院流量系数：=其中：缩流系数：=F2/F11＝速度系数：同理，当hs10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）：aappFV)(21＝吸吸气量：（P13页表1-3）陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动6陕西科技大学材料科学与工程学院推论：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g)(Z)pp(waaZ22g)(ZFVa2＝溢此推论可解决炉门问题!即：Z(a-)g=pZ-pa=2'21w陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动7陕西科技大学材料科学与工程学院1.2气体通过炉门的溢出和吸入炉门中心线零压面ZdZZ1Z2Z0BH陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动8陕西科技大学材料科学与工程学院炉门宽B，高H，微元面积：dF=BdZ通过微元面的溢气量:g)(ZdFdVaZ2溢dZZg)(BaZ2＝整个炉门的溢气量：dZZg)(BdVVZZaZZZ21212＝＝溢溢陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动9陕西科技大学材料科学与工程学院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）)ZZ(g)(BVa231232232＝溢用牛顿二项式展开后得：ZHZZ23231232∴)(gZFVa2溢（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。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动10陕西科技大学材料科学与工程学院1.3分散垂直气流法则水平方向温差：t=t1-t2加热时，气流向下流，t冷却时，气流向上流，t陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动11陕西科技大学材料科学与工程学院如图：并联通道，设为等径(等截面)，热气体1122AB)21(222111Lksgeksgehhhhhhh∵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：陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动12陕西科技大学材料科学与工程学院即：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。＝？AgehBgeh∴BLBgeALAgehhhh21.21.当hge»hL.1-2时，温度是否分布均匀决定于：陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动13陕西科技大学材料科学与工程学院则：AB假设扰动，使tAtB，即A通道推动力AgehBgehQVAQVBtA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tAtB时：ABQVAQVBtA，即A通道阻力AgehBgeh陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动14陕西科技大学材料科学与工程学院结论:（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。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动15陕西科技大学材料科学与工程学院陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动16陕西科技大学材料科学与工程学院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陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动17陕西科技大学材料科学与工程学院2可压缩气体的流动即：p/p020%，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）。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动18陕西科技大学材料科学与工程学院Ea其中：——音速，m/sE——介质的弹性模数，w/m2——介质的密度，kg/m3a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：pTRa陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动19陕西科技大学材料科学与工程学院若介质为空气，=1.4，R=287（J/kg·K）则空气中的音速为：TTa04.202874.1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。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动20陕西科技大学材料科学与工程学院awMa其中：Maa1，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，w0，为不可压缩气体流动a1，w，为跨音速流动a1，w，为超音速流动陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动21陕西科技大学材料科学与工程学院2.2可压缩气体通过渐缩喷嘴喷出罐内(0-0面)：ws0，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）；陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动22陕西科技大学材料科学与工程学院2.2.1压强变化规律流动过程中：psp1p2=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）：constpVconstp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陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动23陕西科技大学材料科学与工程学院——任一截面处压强（p）与之比，恒等于滞止状态下ps/s之比。sspp11即：2.2.2密度变化规律由上得：111sspp其中：p1/ps1，1/1，所以1/s1，即1s陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动24陕西科技大学材料科学与工程学院2.2.3温度变化规律绝热过程p相当于膨胀，内能，所以T111TpTpsss111ssppTT其中：p1/ps1，(-1)/1所以：T1/Ts1，即T1Ts111sspp将代入得：另，由理想气体状态方程得：陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动25陕西科技大学材料科学与工程学院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：constwpUgZ221[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：constwpU221----------------(1)陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动26陕西科技大学材料科学与工程学院∵U=CVT，，R=CP－CV，RpTVPCC∴pCCpCRpCUVPVV11)(代入(1)式得：constwp2211------------------(2)陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动27陕西科技大学材料科学与工程学院又∵单位质量气体的热焓：ppCCCRpCTCHVpppp1代入(2)得：constwH221----------------(3)以上是可压缩气体能量守恒的三种表达方式。陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动28陕西科技大学材料科学与工程学院constwH221(3)constwp2211(2)constwpU221(1)内能形式压强形式热焓形式陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动29陕西科技大学材料科学与工程学院由(2)式得：22222211211wpwpsss122)(sspp代入上式得：])(1[12122ssspppw其中：ws0，0212sw陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动30陕西科技大学材料科学与工程学院同理，由sssRTp122)(ssppTT得流速的三种解法：)TT(Rws2212])(1[12122ssspppw2S2HH2w陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动31陕西科技大学材料科学与工程学院质量流量为（）：122)(sspp＝2222FwQQVm1222212sssspppppF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Re106时，＝0.96~0.99=0.99陕西科技大学材料科学与工程学院材料热工基础|窑炉系统内的气体流动32陕西科技大学材料科学与工程学院2.2.5极限流速及临界速度极限流速（p20，即向真空