冶金炉热工基础.pptx

冶 金 炉 热 工 基 础,山东工业职业学院冶金学院,1,同学们好！现在我们学习气体力学原理,2,第一章 气体力学原理,目前大部分冶金炉（除电炉外）热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。 燃料燃烧需要供入炉内大量空气，并在炉内产生大量的炉气。 高温的炉气是传热的介质，当它将大部分热能传给被加热的物料以后就从炉内排出。如果排出的炉气温度较高，还可用废热回收装置再收回部分热能然后再经过排气装置排入大气。,3,因此，根据炉子的生产要求正确地向炉内供气，合理地组织炉内气体运动，根据炉子生产的需要及时地将炉内产生的炉气排出，是组织好炉子生产的极重要环节。,气体在炉内的流动，根据流动产生的原因不同，可分为两种：一种叫自由流动，一种叫强制流动。,炉内气体的运动，对炉子的产量、产品质量、生产成本、炉子寿命、安全操作等方面都有直接影响。,4,自由流动：由于温度不同所引起各部分气体密度差而产生的。 如室内空气的流动。强制流动：由于外界的机械作用而引起的气体流动。 如鼓风机鼓风产生的压力差。,引起自由和强制流动的许多原因合在一起，就决定了炉内气体流动的性质。,5,1.1 气体的主要物理性质和气体平衡方程式,1.1.1气体的主要物理性能,一切物体都是由许多永不停止的作无规则运动的微粒“分子”所组成。分子的无规则运动与温度密切相关，因此，称为分子的热运动。,分子间的空隙不同，则分子间的作用力和分子热运动的情况不同，各种物体的性质也不同。,6,气体与液体的共同性： 由于液体和气体具有流动性，因而它们能将自身重力和所受的外力按原来的大小向各个方向传递。,液体和气体，由于分子间的空隙比固体大，它们都不能保持一定的形状，因而具有固体所没有的一种性质流动性。因此，常将液体和气体称为流体。,7,气体和液体的不同特性： 在一般情况下，液体的体积和密度随温度和压力的变化量很 小，所以，常认为液体是不可压缩性流体(或称非弹性流体)； 气体的体积和密度通常随温度和压力的变化较大，所以，常认为气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。 在研究气体运动时，应注意： 气体的体积和密度随温度和压力的变化，此为气体区别于液体的一个显著特性。,8, 液体的密度较大(如每m3水的质量为1000千克)，所以液体在流动过程中基本不受周围大气的影响； 气体的密度较小(如每m3烟气的质量为1.3千克)，而且与空气的密度相近(每m3空气的质量为1.293千克)，所以气体在流动过程中受周围大气的影响。,在研究气体运动时，应考虑其与大气的相互关系，此为气体区别于液体的又一个显著特性。,9,在研究气体运动时常遇到气体的温度、压力、体积、密度等一些物理参数，这说明通过这些物理参数的变化反映了气体物理性质常随气体的存在状态而变化。 因此，要了解气体的性质，必须了解这些参数的物理意义及其影响因素。,10,气体的几个物理参数 ： 气体的温度 气体的温度常用各种仪表来测量。 要测出气体的温度，首先必须确定温标。 所谓温标是指衡量温度高低的标尺，它规定了温度的起点（零点）和测量温度的单位。 目前国际上常用的温标有摄氏温标和绝对温标两种：,11,a、摄氏温标：又名百度温标，是我国使用最广泛的一种温标。规定：在标准大气压下（760mmHg），把纯水的冰点定为零 度， 沸点定为100度，在冰点与沸点之间等分为100个分 格，每 一格的刻度就是摄氏温度1度，用符号t表示，其单 位符号 为。本书都采取摄氏温度（），作为温度的单 位。,12,b、绝对温标：即热力学温标，又名开尔文温标，用符号T表 示，单位符号为K。规定：以气体分子热运动平均动能超于零的温度为起点，定为0 K，井以水的三相点温度为基本定点，定为273.16K， 于是1 K就是水三相点热力学温度的。,13,绝对温标lK与摄氏温标l的间隔是完全相同的。在一个标准大气压下，纯水冰点的热力学温度为273.15K，它比水的三相点热力学温度低0.01 K，水的沸点为373.15K。绝对温标与摄氏温标的关系： K273.15+ t K,在不需要精确计算的情况下，可以近似地认为： T273+t K,14,气体在运动过程中有温度变化时，气体的平均温度常取为气体的始端温度t1和终端温度t2的算术平均值，即：, 气体的压力 a、定义： 由于气体自身的重力作用和气体内部的分子运动作用， 气体内部都具有一定的对外作用力，这个力称为气体 的压力。,气体压力是气体的一种内力，表示气体对外作用力大小的一个物理 参数。,15,b、压力的单位 在工程单位制即米制中，气体的压力大小有以下三种表示方法： 以单位面积上所受的作用力来表示，例如： 公斤/cm2(kgf/cm2）或公斤/m2(kgf/m2)。,物理学上常把单位面积上气体的对外作用力称为压强，工程上却常把压强简称为压力。 冶金炉上所说的压力也是指单位面积上气体的对外作用力， 亦即在物理意义上相当于物理学上的压强。,16, 用大气压来表示： 地球表面包围着一层厚达几百公里的大气层，大气重量对地球表面上所造成的压力称为大气压力，常用单位是mmHg。 大气压力的数值随着所在地区海拔高度的升高而降低，也就是说，海拔越高，空气越稀薄，大气压力也就越低。 在同一地区，大气压力的数值也因季节、晴雨等气候变化而稍有差异。,用液柱高度来表示：例如米水柱(mH2O)、毫米水柱 (mmH2O)和毫米汞柱(mmHg)。,17,国际上规定：将纬度45海平面上测得的全年平均大气压力760mmHg定为一个标准大气压，或者称为物理大气压，它与其它压力单位的换算关系是： 1标准大气压(a t m)=760mmHg=1.0332 kg f/cm2 =10332 kg f/m2=10332mmH2O,18,工程上为了计算方便，规定1kg f/cm2作为一个工程大气压，简称工程大气压(at)，则：1工程大气压(at)1kgf/cm2=10000kgf/m2=10mH2O =10000mmH2O=735.6mmHg由此可得：lmmH2O=1kgf/m2 lmmHg =13.6 mmH2O,应当注意: “标准大气压”和“工程大气压”都是压力的计量单位，不要与所在地区的实际大气压相混淆。,19,a、在高压容器中，气体的压力相当高，往往是几倍或几十倍于 大气压的，因此，对这些设备中气体的压力计量单位通常用 工程大气压表示。 b、通风机的送风压力、风道和烟道中气体的压力较小，通常用 毫 米水柱表示。 在实际工程中提到的大气压，除了特别注明是物理大气压 外，一般都是指工程大气压。,20,在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，简称帕，其代号为Pa。l帕斯卡是指1 m2表面上作用1牛顿（N）的力，即： 1Pa=l N/m2 1kPa=1000N/m2 1MPa=106N/m2,米制与国际单位制压力换算关系如下： 1标准大气压=1.0332 kg f/cm2=101325Pa 1工程大气压=l.0 kg f/cm2=98060Pa 1mH2O =9806.6Pa=9. 8066kPa 1mmH2O=9.8086Pa9.81 Pa,21,c、气体的压力与温度的关系 实验研究指出：当一定质量的气体其体积保持不变（即等容过程）时，气体的压力随温度呈直线变化，即: Pt = Po（l+t）式中： Pt、Po分别为t和0时气体的压力； 体积不变时气体的压力温度系数。根据实验 测 定，一切气体的压力温度系数都近似地 等于:,22,d、绝对 压力和表压力 气体的压力有绝对压力和表压力两种表示方法。 以真空为起点所计算的气体压力称为绝对压力，用符号表示。 通常所说的标准大气压（大气压力为101325Pa）和实际大气压（该地该时的实际大气压）都是指大气的绝对压力。,23,表压力和绝对压力的关系为：,设备内气体的绝对压力与设备外相同高度的实际大气压的差称为气体的表压力，用符号 表示。,24,式中：设备内气体的绝对压力；设备外同高度的实际大气压；设备内气体的表压力。,当气体的表压为正值时，称此气体的表压为正压;当气体的表压为负值时，称此气体的表压为负压，负压那部分 的数值，称为真空度; 当气体的表压为零值时，称此气体的表压为零压。具有零压的 面常称为零压面。,25,26,气体的体积 气体的体积：表示气体所占据的空间大小的物理参数。 冶金炉内常以每千克质量气体所具有的体积表示气体体积的大小。 气体的比容：每千克气体具有的体积，用符号表示，单位是 m3/kg。,气体体积随温度和压力的不同有较大的变化，这是气体区别于液体的特点之一。,27,a、气体体积与温度关系 l千克质量的气体，在恒压条件下，其体积与其绝对温度成正比，即:,式中： To0时气体的绝对温度，K； Ttt时气体的绝对温度，K； Vo标准状态下1千克气体的体积，m3; Vt压力为101325Pa温度为t时1千克气体的体积，m3。,28,设V代表m千克质量气体的体积，上式两端同乘以m，则可得:,当压力不变时，气体的体积随温度升高而增大，随温度降低而减小。为了计算方便，上式可写成：,式中 常用符号表示，称为气体的温度膨胀系数。因此，上式可写成,m3,29,b、气体体积与压力的关系 l千克质量的气体，在恒温条件下，其体积与其绝对压力成反比， 即 ：,式中： P1、P2、P相同温度下气体的各绝对压力，Pa或N/m2； v1、v2、v各相应压力下气体的比容，m3/kg。,30,同理：对m千克质量气体可得:,式中: V1、V2、V各相应压力下m千克气体的体积，m3。,结论：气体的体积或比容随气体压力的增大而降低，随气体压 力的降低而增大。,31,c、气体的状态方程式 表明气体的温度、压力、体积的综合关系式称为气体的状态方程式。,对于1千克理想气体的状态方程式为：,式中： T1、T2、T气体的各绝对温度，K； P1、P2、P气体的各绝对压力，N/m2； v1、v2、v气体在各相应温度和相应压力下的比容， m3/kg； R气体常数，J/kgK。,32,气体常数R的单位：,国际单位制中，压力的单位是PaN/m2，比容的单位是m3/kg，温度T的单位是K，功的单位是焦耳，用符号J表示，即1 J1Nm，,33,例题11 若空气在标准状态时的比容为0.773m3/kg，求空气 的气体常数R 为多少?,R的物理意义：1千克质量的气体在定压下，加热升高l度时所做 的膨胀功。,34,如果气体的质量不是l千克而是m千克，则可得到适用于m千克气体的状态方程式：,当已知P、V、T三个参数时，可按下式计算出气体的质量m:,35,在国际单位制中，1克分子量叫做1摩尔(mo1)，1千克分子量叫做1千摩尔（kmo1）。,例如氧气（O2）的分子量是32，则32g氧称为lmo1，32kg氧称为1 kmol。,实验证明：在标准状态下，理想气体的每千摩尔体积或称千克 分子体积都等于22.4标准m3，如以M表示气体的分 子量kg/kmo1，即： M vo= 22.4 m3/kmo1,36,对于1kmo1的气体，可以写出它的状态方程式，即在气体状态方程式各项分别乘以M: 将标准状态下的压力、温度和摩尔体积数值代入上式中，得：,MR称为通用气体常数（或摩尔气体常数），对于所有理想气体，其数值都等于8314。,37,例题12 某压缩空气贮气罐，压力表读数为7气压(at)，温度计 读数为25，贮气罐的体积为3m3，当地大气压力取 为l气压(at)，试求罐内空气的重量。,解：压缩空气的质量为：,则罐内空气的重量为：,38,例题13 某封闭容器内贮有压缩空气，用压力表测 得：当大气压为745m m Hg时，压力表上 读数为2气压(at)；若大气 压改变为770 mmHg时，压力表上 读数为多少？,39,解：由于大气压力改变时，容器内压缩空气的状态没有发生变化，即容器内空气的绝对压力P绝是个常数，仅仅是由于P大气不同而使压力表上的读数发生变化。现将P表1和P表2表示压力表示 值在变化前后的读数，则：,40,例题14 在一煤气表上读得煤气的消耗量是683.7m3。在使用 期间煤气表的平均表压力是44mmH2O，其温度平均 为17 。大气压力平均为100249Pa。求： (1)相当于消耗了多少标准m3的煤气？,(2)如煤气压力降低至30mmH2O，问此时同一煤气耗用量的读数 相 当于多少标准m3？ (3)煤气温度变化时，对煤气流量的测量有何影响？试以温度变 化30为例加以说明？,41,解：已知V1=683.7 m 3，P表1=44 mmH2O，T1=17+273=290K， P大气=100249Pa,(1),(2) 已知P表1=30mmH2O，T1=290K,42,(3) 已知P表1=44mmH2O，T1=273+30=303K,43,(4) 气体的密度,单位体积气体具有的质量称为气体的密度，用符号表示，单位是kg/m3。 气体密度是表示气体轻重程度的物理参数。,当气体的质量为mkg，其标准状态下的体积为Vom3时，则气体在标准状态下的密度o为：,44,比容与密度互为倒数，即：,单位质量的气体所占有的体积称为气体的比容，用符号表示，单位是m3/kg。,45,冶金生产中常见的气体（如煤气、炉气等）都是由几种简单气体组成的混合气体。 混合气体在标准状态下的密度可用下式计算：,式中： 1、2、n各组成物在标准态下的密度， Kg/m3; a1、a2、an各组成物在混合气体中的百分 数，%。,46,例题16某煤气的成分为：CO=27.4%；CO2=10%， H23.2%， N2=59.4%。试求此煤气在标准状态下 的密度？,解： 由表12中查得各组成物在标准状态下的密度为： CO=l.251 kg/m3，CO2=l. 997kg/m3，H2=0.0899kg/m3， N2= l.251 kg/m3。此煤气在标准状态下的密度为：,47,a、气体密度随温度的变化,前已指出：气体的密度随其温度和压力的不同而有较大的变化，此 为气体区别于液体的特性之一。 下面分析这种变化。,在标准大气压时，气体在t下的质量和体积分别为m和Vt时，则在t下气体的密度为：,注意：此式也可用于低压气体。,48,对一定o的气体而言，其密度t随着本身温度t的升高而降低。各种热气体的密度都小于常温下大气的密度，亦即设备内的热气体都轻于设备外的大气。此为设备内热气体的一个重要特点。此特点对研究气体基本方程有重要作用。,b、气体密度随压力的变化,在恒温条件下的气体密度与气体绝对压力的关系式：,49,式中： 1、2、在各相应压力下的气体密度， kg/m3,结论：气体密度随气体绝对压力的增加而增大，随绝 对压力的降低而减小。,c、气体密度随气体温度和压力的变化,气体密度随温度和压力的变化关系式为：,式中：1、2、在各相应压力和各相应温度下的气体 密度， kg/m3。,50,结论：气体密度随气体温度和气体压力的不同都发生 变化。,气体密度随气体压力而变化的特性称为气体的可压缩性。气体都具有可压缩性，此为气体的特性之一。,应当指出：冶金炉上的低压气体在流动过程中的压力变化一般 不超过9810Pa，在此压力变化下的密度变化不超 过 10%。,51,工程上常认为冶金炉上的低压气体属于不可压缩性气体。对被认为是不可压缩性气体的低压气体而言，气体密度不随压力而变，气体密度只随温度而变化。,但是冶金炉上的高压气体在流动过程中的压力变化常超过9810Pa，在此压力变化下的密度变化较大，因此，这些气体仍属于可压缩性气体。对于可压缩性气体而言，气体密度同时随气体温度和气体压力按下式的关系而变化。,52,例题16 某气罐内压缩空气的表压为7大气压（at），实际温度 为80。当实际大气压为1大气压（at）时，此压缩空 气的实际密度为多少？,解：压缩空气的绝对压力：,P绝P表+P大气=7+1=8at=784800 Pa 绝对温度: T=273+t=273+30=303 K 压缩空气在实际温度和实际压力下的密度为:,53,单位体积气体具有的重量称为气体的重度，用符号表示，单位是N/m3。它是表示气体轻重程度的物理参数。 当气体重量为G牛顿，在标准状态下的体积为Vom3 ，则此气体在标准状态下的重度o为：,(5) 气体的重度,54,当重力加速度g9.8m/s时，气体的重量G(N)与气体的质量m(kg/m3)间存在如下的关系： G=mg N 气体在标准状态下密度和重度的关系为：,55,1.1.2 阿基米德原理,对固体和液体而言，阿基米德原理的内容可表达如下：固体在液体中所受的浮力，等于所排开同体积该液体的重量。,此原理同样亦适用于气体。,56,热气在空气中的重力应为：G气-G空,同体积空气的重量为：,G气=Hfg,设有一个倒置的容器，如图13所示，高为H，截面积为f，容器内盛满热气(密度为)，四周皆为冷空气(密度为)，热气的重量为：,57,若上式之两边各除以f，则单位面积上的气柱所具有的上升力可写成下面的形式：,上式说明：单位面积上气柱所具有的上升力决定于气柱之高度 和冷、热气体的密度差。,小于， 热气在空气中的重力必是负值， 也就是说热气在冷气中实际上具有一种上升力。,58,1.1.3 气体平衡方程式,气体平衡方程式是研究静止气体的压力变化规律的方程式。,自然界内不存在绝对静止的气体。但是可认为某些气体（如大气、煤气罐内的煤气、炉内非流动方向上的气体等）是处于相对静止状态。,下面分析相对静止气体的压力变化规律。,59,l、气体绝对压力的变化规律,如图14所示，在静止的大气中取一个底面积为f平方米、高度为H米的长方体气柱。如果气体处于静止状态，则此气柱的水平方向和垂直方向的力都应该分别处于平衡状态。,60,在水平方向上，气柱只受到其外部大气的压力作用，气柱在同一水平面上受到的是大小相等，方向相反的压力。这些互相抵消的压力使气柱在水平方向上保持力的平衡而处于静止状态。,在垂直方向上，气柱受到三个力的作用：（1）向上的I面处大气的总压力P1 f，N；（2）向下的面处大气的总压力P2f，N；（3）向下的气柱总重量G=Hfg，N。,61,气体静止时，这些力应保持平衡，即： P1f = P2f + Hfg 当f=lm2时，则得： P1= P2+ Hg (1),注：(1)式为气体绝对压力变化规律的气体平衡方程式。,式中： P1气体下部的绝对压力，Pa； P2气体上部的绝对压力，Pa； HP1面和P2面间的高度差，m； 气体的密度， kg/m3； g重力加速度，9.81 m/s2。,62,上式说明：静止气体沿高度方向上绝对压力的变化规律是下部 气体的绝对压力大于上部气体的绝对压力，上下两点 间的绝对压力差等于此两点间的高度差乘以气体在实 际状态下的平均密度与重力加速度之积。,不仅适用于大气，而且适用于任何静止气体或液体。,气体平衡方程式适用范围：,63,例题17 某地平面为标准大气压。当该处平均气温为20， 大气密度均匀一致时，距地平面100m的空中的实际 大气压为多少？,解：可认为大气为不可压缩性气体时，则大气的实际密度为：,则100米处的实际大气压为：P2= P1Hg=1013251009.811.21=100138 Pa,计算表明：空中的大气压低于地面的大气压，高山顶上的气压 低即为此道理。,64,2 、气体表压力的变化规律,下面分析静止气体内表压力沿高度方向上的变化关系。,如图15所示： 炉内是实际密度为的静止炉气，炉外是实际密度为的大气。 炉气在各面处的绝对压力分别为P1、P2和Po，表压力分别为P表1、P表2和P表o。,65,炉气在I面和面处的表压力分别为：,则 I面与面的表压差应为：,I面和面处大气的绝对压力差为：,I面和面处炉气的绝对压力差为：,P 2 P1= Hg,66,经过综合计算，则得： 或,式中： P表2上部炉气的表压力，Pa； P表1下部炉气的表压力，Pa； 大气的实际密度，kg/rn3； H两点间的高度差，m。,上式是气体平衡方程式的又一种形式。此式适用于任何与大气同时存在的静止气体。,67,气体平衡方程式表明：当气体密度小于大气密度（热气体 皆如此）时，静止气体沿高度方向上，表 压力的变化是上部气体的表压力大于下部 气体的表压力，上下两点间的表压差等 于此两点间的高度差乘以大气与气体的 实际 密度差与重力加速度之积。 此两点间的表压差等于气柱的上升力。,由图15看出：如果炉门中心线的0面处的炉气表压力为零（生 产中常这样控制），则I面和面的表压力分别 为：,68,如果炉内是高温的热气体，其实际密度小于大气密度，则由上式不难看出：零压面以上各点的表压力P表2为正压，当该点有孔洞 时，会发生炉气向大气中的溢气现象；零压面以下各点的表压力P表1为负压，当该点有孔洞 存在时，会发生将大气吸入的吸气现象。,这个规律存在于任何与大气同时存在的密度小于大气的静止气体中。 炉墙的缝隙处经常向外冒火，烟道和烟囱的缝隙处经常吸入冷风就是这个规律的具体表现。,69,例题18 某加热炉炉气温度为1300， 由燃烧计算得知该炉 气在标准状态下的密度为o=1.3kg/m3。车间温 度为15。零压线在炉底水平面上。求炉底以上1米 高度 处的炉膛压力（指表压P值）是多少？,解：炉气密度：,空气密度 ：,把基准面取在炉底水平面上，则1米高度处的炉膛压力为：,70,1.2 气体流动的动力学,1.2.1 流体流动的状态,l、气体的粘性 在气体运动过程中，由于其内部质点间的运动速度不同，会产生摩擦力。,例如，当气体在管道中流动时，一方面气体与管壁之间发生摩擦（此种摩擦称为外摩擦）。另一方面，由于气体分子间的距离大，相互吸引力小，紧贴管壁的气体质点因其与管壁的附着力大于气体分子间的相互吸引力，其运动速度小。而离管壁愈远，则运动速度愈大，这样就引起管内各层气流间的速度不同，就为气体内部产生内摩擦力提供了先决条件。,71,气体内摩擦力的产生，是由于气体分子间的距离大，相互吸力小的原因，导致分子热运动较显著。当各层气流间的速度不同时，气体分子会由一层跑到另一层，流速较快的气体分子会进入流速较慢的气层，流速较慢的气体分子也会进入流速较快的气层。这样，流速不同的相邻气层间就会发生能量（动量）交换，较快的一层将显示一种力带动较慢的一层向前移动，较慢的一层则显示出一个大小相等方向相反的力阻止较快的一层前进。 体现在气体流动时使两相邻气层的流速趋向一致，且大小相等方向相反的力，称为内摩擦力或粘性力。,气体作相对运动时产生内摩擦力的这种性质称为气体的内摩擦或粘性。,72,气层间的分子引力也能阻止气层作相对移动，只是由于气体分子间的相互吸引力小，这种作用不显著。,因此，对气体来说，分子热运动所引起的分子掺混是气体粘性产生的主要根据；液体分子间距离小，分子引力大，粘性力主要由分子引力所产生。,实验证实：气体的粘性力F粘正比于相邻两层气体之间的接触面积f以及垂直于粘性力方向的速度梯度 (如图16所示）。写成等式得到：,73,式中： F粘粘性力，N； 粘性系数或粘度，由上式可导出粘度的单位为 ：,因为具有动力学的量纲，故又称为动力粘度。,2. 理想流体与实际流体 设粘性为零的流体叫理想流体。 实际上流体或多或少都具有一定的粘性，这种有粘性的流体叫做实际流体。分析流体运动时，假设流体没有粘性，把它看成理想流体来处理。,74,3. 稳定流动和不稳定流动 所谓稳定流动指的是流体中任意一点上的物理量不随时间改变的流动过程。若用数学语言表示为：,式中： u流体的某一物理量； 时间。若 ，即随时间变化，则称为不稳定流动。在气体力学中，主要讨论气体在稳定流动条件下的运动。,75,4. 管内流型及雷诺数 由实验可知：气体在流动时有两种截然不同的流动情况，即层流和紊流。,A、层流,当气体流速较小时，各气体质点平行流动，此种流动称为层流。,76,由于气体在管道中流动时，管壁表面对气体有吸附和摩擦作用，管壁上总附有一层薄的气体，此种气体称为边界层。当管内气体为层流时，此边界层气体不流动，它对管内气体产生阻碍作用，距离边界层越近，这种阻碍作用越大。对层流来说，由于气体质点没有径向的运动，这种阻碍作用越显著。因此，在层流情况下管道内气流速度是按抛物线分布的。,其特点如下：,77,B、 紊流,当气流速度较大时，各气流质点不仅沿着气流前进方向流动，而且在各个方向作无规则的杂乱曲线运动，通常称为紊流。在紊流情况下主流内形成许多细小的旋涡，故又称涡流。,由于紊流时，气体质点有横向流动，边界层不再是静止状态，而是层流状态，对中心气流速度的影响也较小，因此，管内的气流速度分布较均匀。,78,C、流型的判别和雷诺数的意义,紊流的形成与下列因素有关：,气流速度(t)：t越大，越易形成紊流；气体密度(t)：t愈大，气体质点横向运动的惯性愈大，愈 易 形成紊流；(3)管道直径(d)：d愈大，管壁对中心气流的摩擦作用愈小，愈易 形成紊流；(4)气体粘性(t)：t愈小，产生的内摩擦力愈小，愈易形成紊 流。,79,气体在管道内的流动情况决定于下列数值： 或,式中：,Re雷诺准数(简称雷诺数)，无因次；,t气体温度为t时流过横截面的平均速度，m/s；,t气体温度为t时的密度，kg/m3；,t气体温度为t时的粘度系数，Ns/m2;,80,t 气体温度为t时的动粘度系数，m2/s；,d当当量直径，m。对于圆形管道，d当即管道直径；当 管道不是圆形时，当量直径的求法为：,实验证明：当气体在光滑管道中流动时，Re10000时为紊流；2300Re10000时为过渡区。,81,在冶金生产中实际遇到的气体流动绝大多数是紊流，层流只在很少的情况下才能遇到。,Re=2300为气体在光滑直管道中流动时由层流向紊流转化的综合条件。这种由层流向紊流转化时的雷诺数称临界雷诺数，常用Re临表示。Re临就是判断气体流动状态的标志。,在过渡区内，可能呈现层流，但更可能呈现紊流。,82,D、边界层概念 边界层又称附面层，它指的是流动着的粘性气体(或液体)与固体表面接触时，由于流层与壁面的摩擦作用便在固体表面附近形成速度变化的区域。,图18 气体流经平板时层流性和紊流性边界层的形成图及速度分布,83,气体的原有流速为o。当气体与和气流平行的固体表面相遇时，就在固体表面附近形成速度变化的区域，这种带有速度变化区域的流层称为边界层。从图18可以看到：,当气体刚刚接触到固体表面前沿时，边界层厚度界=0；沿着气流方向前进，边界层的厚度逐渐增加并具有层流特性，称这种具有层流性质的边界层为层流边界层。它的径向速度分布完全符 合抛物线规律。,84,(2) 当气流流过一定距离后，边界层内气体流动的性质开始向紊 流 转变并逐渐成为紊流边界层。,(3) 从图中可以看到：在紊流边界层内靠近固体壁面边沿处仍有 薄薄的气体流层保持着层流状态,，我们称之为层流底层(层流 内层)，把由层流边界层开始转变为紊流边界层的部位到平板 始端的距离称为临界距离，用X临表示。,实验指出：气体的原有速度o愈大，则临界距离X临愈小。对于不同的气体由层流边界层向紊流边界层过渡取决于X临所对应得雷诺数。,85,一般情况下可以认为Rex大于500000以后，层流边界层才开始转变为紊流边界层。,(4) 由图还可以看出：紊流边界层厚度紊=涡+层，并且只有当X大于X临时才能形成紊流边界层。,流体在进入管道后便开始于管壁处形成边界层，随着流动的进程，边界层逐渐加厚，经过一定距离后由于厚度的增加边界层将由周围淹没到管道的轴线，这时边界层就充满了整个管道，如图19所示。,86,87,在边界层没有淹没管道轴线以前，由于附面层厚度沿流动方向的增加，故截面上的速度分布是沿流向而变化的，在附面层淹没管道轴线之后，即当XLe时，管道中的速度分布就稳定下来了。所以又把X临=Le称做稳定段(或叫固定段)。对气体在管道中的流动状态可以这样来理解：如果在附面层淹没到管道轴线之前，附面层为层流附面层，则淹没以后管道中的流体将继续保持层流状态的性质，如图19所示；如果附面层在淹没到管道轴线以前就已变成紊流附面层，则管内后段流体的流动性质将是紊流状态的了。如图110所示。,88,1.2.2 运动气体的连续方程式,气体连续方程式是研究运动气体在运动过程中流量间关系的方程式。,运动气体的主要物理参数：,1、流速和流量A、流速 单位时间内气体流动的距离称为气体的流速，用符号表示，单位是m/s。,流速是表示气体流动快慢的物理参数。,标准状态下气体的流速用o表示，单位仍是m/s。,89,式中：o标准状态下气体的流速,，m/s； t气体的温度,; t10l325Pa，t时气体的流速，m/s； 气体温度膨胀系数。,B、流量 单位时间内气体流过某截面的数量称为流量。 流量是表示气体流动数量多少的物理参数。,流速也随气体的压力和温度而变。恒压下，流速随温度的变化关系为：,90,a、体积流量 单位时间内气体流过某截面的体积称为体积流量，用符号V表 示，单位为m3/s、m3/min或m3/h。,标准状态下气体的体积流量用Vo表示。当气体的流动截面为f m2，气体在标准状态下的流速为o m/s时，则气体在标准状态下的体积流量为： Vo =of m3/s,由式中看出：当生产要求的体积流量Vo和选取的经验流速o 已知时，可根据公式确定气体运动设备的流动截 面f值，从而确定设备的流动直径D值。,91,恒压时体积流量随温度的变化关系为： 或 或,b、质量流量 单位时间内气体流过某截面的质量称为质量流量，用符号M表示，单位是kg/s或kg/h。,92,质量等于体积乘以密度，因此可得： Kg/s 适用于标准状态下的气体。或 kg/s 适用于任意状态下的气体。,式中：,M气体的质量，kg/s；f气体的流动截面，m2；,o、o和Vo标准状态下气体的流速(m/s)、密度(kg/m3)和 体积流量(m3/s)；,、和V任意状态下气体的流速(m/s)、密度(kg/m3)和体积流 量(m3/s)。,应当指出：气体的质量流量是不随其温度和压力变化的。,93,2、连续方程式,当气体在管道中连续(即气体充满管道，管道不吸气亦不漏气)而稳定流动时，气体流过管道各截面的质量必相等。,如图111中，气体在管道内由截面向截面做稳定流动，根据上述推论，则此两截面上的质量流量应当相等，即： M1=M2,或 V11=V22,94,式中：,M1和M2I面和面的质量流量，kg/s；,1和p2任意状态下I面和面处的气体密度，kg/m3；,1和2任意状态下I面和面处的气体流速， m/s；,f1和f2I面和面处流体的截面积，m2。,如果不仅是稳定流动，而且气体在流动过程中的密度保持不变，即1=p2，则：,V1=V2,95,式中：,V1和V2流动时，密度不变的I面和面处的体积流量， m3/s；,1和2流动时，密度不变的I面和面处的气体流速， m/s；,f1和f21面和面处流体的截面积，m2。,例题19,已知某炉子煤气消耗量为7200标米3/小时，燃烧产物量为2.9标米3/标米3煤气，废气流经烟道时的温度为450，烟道截面积已知是1.2米2。求废气在烟道中的流速为多少?,96,废气在烟道中的流速：,在t=450时废气的体积流量:,解: 每秒的废气流量：,97,1.2.3 气体的能量,如图113的管道内流动着稳定流动的气体，在此管道上任取一截面积为f的横截面。下面研究此横截面上气体具有的能量。,在靠近f截面取一长为dl，体积为dV=fdl的微小气块。当dl极小时，此气块具有的能量即为f截面上气体具有的能量。下面分析此气块即f截面上气体具有的能量。,98,1、位压和位压头,当气块的质量、密度和距基准面的高度分别为m、和H时，此气块具有的位能为： 位能=m g H=dv g H Nm,单位体积气体具有的位能称为位压。,气块亦即f面上气体的位压为：,99,当气体的密度一定时，气体各处的位压仅随该处距基准面的高度而变，若基准面取在下面，则愈上面气体的位压愈大，愈下面气体的位压愈小。,管内气体位压与管外同高度上大气的位压的差值，称为管内气体的相对位压或简称位压头，用符号h位表示，单位是Pa。,100,气体的位压头是单位体积气体所具有的相对位压。 当气体的密度小于大气密度，即浮力大于气体本身的重力时，这时位压头为负值，即位压头是一种促使气体上升的能量。,Pa,当管内气体的位压为Hg，管外同高度上大气的位压为Hg时(为大气的密度)，则管内气体的位压头为：,101,2、 静压和静压头,为了使位压头得正值，常将基准面取在气体的上面，因为基准面以下之高度为负值。,气块的f面积上受到其相邻气体的绝对压力P的作用，而且f面积上所受的总压力为Pf。此总压力可能对气块作功而将气块压扁，所作的最大功为Pfdl。事实上气块并未被压扁。这样，气块本身必然具有一个与外界可能作的最大功大小相等，方向相反的能量与之平衡。这个能量称为气体的压力能。因此，气块的压力能为：,压力能=p f dl=p dV Nm,Pa,102,单位体积气体具有的压力能称为静压。,该气块亦即f面处气体的静压为：,结论：f面处气体的静压在数值上即等于该处气体的绝对压力。,静压头 ：管道内气体的静压与管道外同高度上大气的静压之差 值称为相对静压或简称静压头，用符号h静表示，单 位是Pa。,103,当管道内气体的静压为P，管道外同高度上大气的静压为P时，则管道内气体的静压头为：,结论：气体的静压头是单位体积气体所具有的相对静压，其数 值等于管道内外气体所具有的相对压力(即表压力)。,气体的静压与气体的绝对压力，二者的物理意义不同，二者在数值上相等，故常混用；同样，气体的静压头与气体的表压力，二者的物理意义亦不同，但二者在数值上相等，故亦常混用。,运动和静止的气体都具有静压头。,104,3、动压和动压头,运动的物体都具有动能。气块也具有动能。当气块的质量、流速、密度分别为m、时,则气块具有的动能为：,单位体积气体具有的动能称为动压。 因此，气块亦即f面处气体的动压为：,105,动压头：管道内气体的动压与管道外同高度上大气的动压之差值 称 为相对动压或简称动压头，用符号h动表示，单位是 Pa。,或,106,4、柏努利方程式,柏努利方程式是研究气体在运动过程中的能量变化规律的方程式。它是能量守恒定律在气体力学中的具体应用。,a、单种气体的柏努利方程式, 理想气体的柏势利方程式,理想气体在流动过程中没有摩擦力，所以在流动过程中不产生能量损失，此为理想气体的特点。,107,如果图115的管道内流动着密度不变的稳定流动的理想气体时，则：,假如气体是由图中的I面流向图中的面，则对上式积分可得：,108,则得：,或,上式说明：密度不变的理想气体在稳定流动中各截面的单位体积气体的总能量(即静压、位压和动压之和)相等。,(b),109, 实际气体的柏努利方程式,自然界的气体都属于实际气体。实际气体在流动时各层之间以及气体与管壁之间存在着摩擦力，因此，实际气体在流动过程中有能量损失，如果用而h失表示实际气体由任意截面I流至任意截面间的能量损失时，则截面I处气体的总能量应等于截面处气体的总能量加上两面间的能量损失h失。此为实际气体的一个特点。,则稳定流动的不可压缩性的实际气体的柏努利方程式如下：,110,上式说明：低压气体在稳定流动中，前一截面的总压(静压、 位压、动压之和)等于后一截面的总压(静压、位压、动压、能量损失之和)。而各种能量间可相互转变，各种能量都可直接或间接地消耗于能量损失，在能量转变和能量损失过程中静压不断变化。一般情况下，气体在流动过程中其静压都有所降低。,111,上式表明：气体在流动过程中各压头间可相互转变，各压头都可直接或间接地消耗于能量损失。在能量转变和能量损失过程中静压头发生变化。,实际生产中的多数气体都处于大气的包围之中，大气必然对气体产生影响。根据能量守恒定律可知：当稳定流动的不可压缩性的低压气体由某截面I流向某截面时， I截面的总压头应等于截面的总压头加上I截面到截面间的总能量损失，即：,(b) 在大气作用下的柏努利方程式,112,5、柏努利方程式和连续方程式应用实例,柏努利方程式和连续方程式联立可解决生产中的很多实际问体，在冶金炉热工操作和炉子设计中有更广泛的应用。,例题110 有一水平热风管见图118，已知截面F1为0.3m2，,F2为0.5m2。管内热空气的平均温度气为300，空