1、气体力学在窑炉中的应用解析

第1章气体力学在窑炉中的应用1.0概述一、气体力学概念气体力学是从宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门学科。二、研究气体力学意义1、气体在工业窑炉中的作用载热体、反应剂、雾化剂2、气体流动与工业窑炉的操作与设计密切相关主要有：气体的流动状态、速度、方向对热交换过程的影响；气流的混合对燃烧的影响；气流的分布对炉温炉压的影响。1.1气体力学基础1.1.1气体的物理属性1.1.1.1理想气体状态方程在温度不过低（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;P—气体的绝对压强，Pa；T—气体的温度，K；v—气体的比容，m3/kg1.1.1.2气体的压缩性和膨胀性1、气体的压缩性定义：流体在外力作用下改变自身容积的特性。温度一定,P↑,V↓表示：dpdVVp1)/()1(2NmorPa压缩系数βp：当温度不变时，压强每增加1帕时，流体体积的相对变化率。气体—压缩系数很大，为可压缩流体特殊情况：压强变化较小时视为不可压缩理想气体：ppVV002112ppVVpp1或温度一定，P↑——V↓理想气体的压缩系数：5101013251p标态：在无机材料工业窑炉中：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。2、气体的膨胀性定义:流体受热（或冷却）后改变自身容积的特性表示:dTdVVT1(1/K)气球受热膨胀膨胀系数βT—压强不变时，温度升高1K时,流体体积的相对变化率气体—膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大理想气体:)1(2732730000tVtVTTVVTTT1压强一定，T↑——V↑理想气体膨胀系数:273115.2731T标态:1.1.1.3气体粘性1、定义：气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粘性产生原因相邻气体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动，即分子间吸引力。气体内部分子的紊乱运动，使两层流体间有分子相互掺混产生动量交换。（主要原因）2、粘性产生原因神八飞船返回舱在内蒙古四子王旗着陆表面受气体摩擦灼烧现象明显牛顿内摩擦定律:运动流体的内摩擦力的大小与两层流体之间的速度梯度成正比。单位面积上的内摩擦力:dydwFf动力粘度速度梯度μ-动力粘度或动力粘滞系数。单位:N.s/m2或kg/m.s或Pa.s3、绝对粘度与相对粘度绝对粘度动力粘度运动粘度dydw•相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等，我国常采用恩氏粘度。单位：m2/s单位:N.s/m2或kg/m.s或Pa.s4、混合气体的粘度计算公式：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。5、粘度与温度的关系（1）影响粘度的因素液体：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：主要取决于分子紊乱运动，温度T增大，分子热运动增强，黏度增大（2）气体的粘度与温度的关系：5.10)273)(273(TCTCtC—与气体性质有关的常数，见表1-11.1.1.4气体的浮力液体：一般可不考虑其在气体浮力的作用气体：考虑其气体浮力的影响。例如：在空气中有两个同样大小的流体柱（高10m,截面积为1m2）./2.13mkg空气已知热烟气水3/6.0mkg烟气3/1000mkg水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1.1.2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1.1.2.1连续性方程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。0zuyuxuzyx方程适用条件：可压缩流体，恒定流和非恒定流。讨论0zuyuxuzyx（1）对于定常流动:运动参数不随时间变化，则00zuyuxuzyx（2）对于不可压缩流体，ρ=常数0zuyuxuzyx对于管流在管路没有泄漏和补充的情况下,在同一时间内，流进任一截面的流体的质量和从另一截面流出的流体质量相等。表达式ΣMλ=ΣM出A1w1ρ1=A2w2ρ2=Awρ对不可压缩流体，为常数AwwAwA22111.1.2.2伯努利方程流体的能量分析机械能动能势能压力能压头动压头静压头单位体积流体所具有的能量能量除以流体体积即得相应压头几何压头221whkgzhag)(phs1.伯努利方程（1）理想流体的伯努利方程理想流体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动任意取两个截面1-1和2-2，如图:据能量守恒定律可得：gwgpzgwgpz2222222111伯努利方程不可压缩的理想流体在等温流动过程中，在管道的任一截面上，流体的静压能、位能及动能之和是不变的。三者之间可以相互转化(2)实际情况下的伯努利方程实际流体有粘性，流动过程中有能量损失，能量方程：Lhpgzpgz222221112121(3)窑炉中热气体的伯努利方程：Laahpgzpgz2222211121)(21)((4)伯努利方程的简写式：lkgskgshhhhhhh222111(5)有能量输入或输出时：lkgsekgshhhhHhhh2221112.窑炉中热气体伯努利方程（二流体）Laahpgzpgz2222211121)(21)(上式适用条件：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上方几何压头动压头静压头阻力损失lksgksghhhhhhh222111（1）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）。aspph（2）相对几何压头物理意义：单位体积热气体相对于外界同高度冷气体位能之差。gzhag)(（3）动压头物理意义：单位体积的热气体所具有的动能。22whk（4）压头损失物理意义；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。2222)21(wwdlhhhelfl——摩擦阻力系数，与流体流态有关——局部阻力系数，见附录2（5）流体流动状态及判断雷诺实验层流过渡流紊流流体的三种流态（A）层流：流体作有规则的平行流动，质点之间互不干扰混杂（B）过渡流：质点沿轴向前进时，在垂直于轴向上也有分速度（C）紊（湍）流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂流态判断：雷诺准数dwRe圆形管道d为直径,非圆形管道用当量直径当量直径de=水利半径RH×4水利半径SFRHRe≤2300时，流态为层流；Re≥10000时，流态为湍流；2300Re10000时，流态为过渡流3.压头间的转换（1）几何压头和静压头之间的转变1-1和2-2的伯努力方程:2211sgsghhhh取上部为基准面，所以则hs2＜hs1即hs→hg（几何压头视为“能量损失”）热气体在垂直管道由中由上向下流动，且管径不变注意：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01gh（2）动压头和静压头之间的转变流体在一水平的、逐渐扩张的管道中流动1-1和2-2的伯努力方程:2211kskshhhh因为hk1＞hk2则hs2＜hs1即hk→hs同理流体在渐缩管道中流动时:hs→hk（3）压头的综合转变热气体由下向上在截面逐渐变小的垂直管道中流动1-1和2-2的伯努力方程:Lksgksghhhhhhh2221112-2截面为基准面,hg2=0,令hS1=0则:Lkksghhhhh)(1221热气体由下向上流动时，逐渐将几何压头转变为静压头、动压头，并消耗部分能量用于克服压头损失。流体流动过程中，各种压头之间可以相互转变。转变规律：hshghkhl4.流动阻力及管路计算（1）摩擦阻力1）摩擦阻力计算流体在直管中流动时由于流体的粘性产生内摩擦而产生的能量损失22dlhf(Pa)2）摩擦阻力系数neRb层流时:Re64粗略计算时：λ=0.045～0.05（2）局部阻力流体通过管路中的管件、阀门、突然扩大，突然缩小等局部障碍，引起边界层的分离，产生漩涡而造成的能量损失1）局部阻力计算22lh(Pa)2）局部阻力系数（3）流动的总阻力2)(2wdlhhhlfL见附录2（4）减少阻力损失的方法和途径1）气体阻力阻力损失与气体的流速密切相关lhw,2）局部阻力损失要远大于摩擦阻力损失减少局部阻力损失的方法有：圆（进口和转变要圆滑）、平（管道要平，起伏要少）、直（管道要直，转变要少）、缓（截面、速度、转弯要缓）、少（涡流要少）（5）阻力损失对窑炉操作的影响1）阻力损失大，克服阻力所需的静压头大，易造成窑内气体的漏出或吸入窑外空气；2）阻力损失大，排除气体时要求抽力大，烟囱就要建得高3）可利用阻力大小，控制气体的流量。1.2窑炉系统内的气体流动1.2.1气体从窑炉内的流出和流入1.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。小孔的截面积为F，气流形成的最小截面积为F2。ω1ω1当气流流经小孔后，形成一个最小截面的现象—缩流现象缩流系数：FF2不同形状孔的ε由实验确定1-2断面的伯努利方程式为：Lksgksghhhhhhh222111＝因Z1=Z2，ρ1=ρ2,hg1=hg2；因F1F2，w1w2，所以hk1可忽略；又因P2=Pa，所以hs2=0伯努利方程简化为：ikshhh21ω1ω1即：　　2w2wp-p2222a1)p-(p211wa12)(212appw速度系数与流体流出时的阻力有关由实验确定通过小孔流出的气体流量：)2)211222aappFppFFV（＝（＝＝)21appFV（＝流量系数μ=εψ由实验确定通过小孔吸入的气体流量：aappFV)21（＝2、气体通过炉门的吸入和流出A)气体通过炉门的流出（炉内正压）如图。设炉门高为H，宽为B炉门与小孔区别为炉门内的压强随高度而变化。在炉门中心线上取一微元体dz则微元体面积为：dF=Bdz，设炉门中心线距离零压面的高度为z，炉门下边缘距零压面高度为z1，炉门上边缘距零压面高度为z2HZ1ZZ2pazdzpz零压面paB运用前面的公式，可得dzppBppdFdVazzzazzz)(2)(2gZPPaazz)(得dzzgBdVaz)(2代入上式，得：取μz为常数，则2121)(2zzazzzdzzgBdVV)()(2325.115.12zzgBVaHZ1ZZ2pazdzpz零压面paB应特别注意PZ与Z的关系B)气体通过炉门的吸入(炉内负压)同理)()(2325.125.11zzgBVaa结论：正压操作时---气体从炉内往外流，负压操作时---气体从外往炉内流1.2.2分散垂直气流法则•窑炉内分散垂直通道要求温度分布均匀，那么，怎么才能够使温度分布均匀呢？分散垂直气流法则回答了这个问题。•分散垂直气流概念:指一股气流在垂直的通道内被分成多股平行的小气流1122ab分散垂直气流法则：在分散垂直气流通道内，热气体应自上而下流动，才能够使气流温度分布均匀；冷气体应自下而上流动，才能够使气流温度分布均匀。分