第一章水泥热工PPT讲稿.ppt

第一章水泥热工1第1页，共82页，编辑于2022年，星期二1.理想气体与实际气体理想气体与实际气体 气体气体：远离液态，不易液化。：远离液态，不易液化。蒸气蒸气：离液态较近，容易液化。：离液态较近，容易液化。理想气体：理想气体：一种经过科学抽象的假想气体。一种经过科学抽象的假想气体。硅酸盐实际气体：硅酸盐实际气体：常见空气、烟气。常见空气、烟气。一、一、气体的物理属性气体的物理属性 第一节第一节 气体力学基础气体力学基础（一）压缩性和膨胀性（一）压缩性和膨胀性2第2页，共82页，编辑于2022年，星期二（1 1）理想气体分子的体积忽略不计；理想气体分子的体积忽略不计；理想气体的特征理想气体的特征：（2 2）理想气体分子之间无作用力；理想气体分子之间无作用力；（3 3）理理想想气气体体分分子子之之间间以以及及分分子子与与容容器器壁壁的的碰碰撞都是弹性碰撞。撞都是弹性碰撞。理理想想气气体体在在自自然然界界并并不不存存在在，但但常常温温下下，压压力力不不超超过过5 MPa的的O2、N2、H2、CO等等实实际际气气体体及及其其混混合合物物都都可可以以近近似似为为理理想想气气体体。另另外外，大大气气或或燃燃气气中中少少量量的的分分压压力力很很低低的的水水蒸蒸气气也也可可作作为为理理想想气气体体处理。处理。3第3页，共82页，编辑于2022年，星期二2.理想气体状态方程式理想气体状态方程式 又又称称克克拉拉贝贝龙龙方方程程式式 。Rg为为气气体体常常数数，单单位位为为J/(kgK)，其其数数值值取取决决于于气气体体的的种种类类，与与气气体体状状态态无关。无关。对质量为对质量为m 的理想气体，的理想气体，物质的量物质的量：n，单位：，单位：mol（摩尔）。（摩尔）。摩尔质量摩尔质量：M ，1 mol物质的质量，物质的质量，kg/mol。4第4页，共82页，编辑于2022年，星期二物质的量物质的量与与摩尔质量摩尔质量的关系：的关系：1 1 kmol物物质质的的质质量量数数值值与与气气体体的的相相对对分分子子质质量量的数值相同。的数值相同。摩尔质量摩尔质量与气体的与气体的相对分子量相对分子量之间的关系：之间的关系：摩尔体积摩尔体积：Vmm ，1 1 molmol物质的体积，物质的体积，物质的体积，物质的体积，m3 3/mol/mol。5第5页，共82页，编辑于2022年，星期二令令，则得，则得R 称为称为摩尔气体常数摩尔气体常数。根根据据阿阿佛佛伽伽德德罗罗定定律律，同同温温、同同压压下下任任何何气气体体的的摩摩尔尔体体积积Vm都都相相等等，所所以以任任何何气气体体的的摩摩尔尔气气体体常常数数R都等于常数，并且与气体所处的具体状态无关。都等于常数，并且与气体所处的具体状态无关。R=8.314 J/(molK)6第6页，共82页，编辑于2022年，星期二气体常数气体常数Rg 与与摩尔气体常数的关系：摩尔气体常数的关系：可得可得物质的量为物质的量为 n 的理想气体的状态方程式的理想气体的状态方程式由式由式7第7页，共82页，编辑于2022年，星期二3 3、公式的讨论、公式的讨论l（1 1）压缩性：）压缩性：流体的体积随压力变化而变化的流体的体积随压力变化而变化的属性称为流体的压缩性。属性称为流体的压缩性。T T不变，不变，P P-可压可压缩缩l（2 2）膨胀性：）膨胀性：流体的体积随温度变化而变化的流体的体积随温度变化而变化的属性称为流体的膨胀性。属性称为流体的膨胀性。P P 不变，不变，T T-可膨胀可膨胀l（3 3）可压缩气体：）可压缩气体：系统前后压力变化超过系统前后压力变化超过20%20%。l（4 4）不可压缩气体：）不可压缩气体：气流速度不大，气流速度不大，P P、T T变化变化不大。不大。8第8页，共82页，编辑于2022年，星期二9第9页，共82页，编辑于2022年，星期二膨胀性膨胀性体膨胀系数也随种类、温度和压力而变化。通常液体的体膨胀系数也随种类、温度和压力而变化。通常液体的体膨胀系数很小，气体的体膨胀系数很大。体膨胀系数很小，气体的体膨胀系数很大。10第10页，共82页，编辑于2022年，星期二4 4、几个常用公式、几个常用公式l一定质量的气体，标态和实际状态下的转换：一定质量的气体，标态和实际状态下的转换：11第11页，共82页，编辑于2022年，星期二例例1 1 将将1000m1000m3 3，0 0空气送入加热器中加热，标况下空气密度为空气送入加热器中加热，标况下空气密度为1.293kg/m1.293kg/m3 3，求加热至，求加热至250250时气体的体积和密度。时气体的体积和密度。l 解：Vt=V0Tt/T0=1000523/273=1916 m3 lt=0T0/Tt=1.293273/523=0.67 kg/m3l 由此可知，空气经过加热后体积明显增加，密度明显下降，因此在窑炉的热工计算中，不能忽略气体体积和气体密度不能忽略气体体积和气体密度随温度的随温度的 变化。变化。12第12页，共82页，编辑于2022年，星期二（二）粘性（二）粘性l1 1、牛顿内摩擦定律、牛顿内摩擦定律l 对于运动的流体，当流体质点间存在相对运对于运动的流体，当流体质点间存在相对运动时，由于流体的粘性作用，在流体内部流层动时，由于流体的粘性作用，在流体内部流层之间会出现成对的切力，称为内摩擦力。之间会出现成对的切力，称为内摩擦力。l 17 17世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的世纪牛顿通过牛顿平板实验研究了流体的粘性。下图即为牛顿平板实验装置，下板固定，粘性。下图即为牛顿平板实验装置，下板固定，上板可动，且平板面积有足够大，可以忽略边上板可动，且平板面积有足够大，可以忽略边缘对流体的影响。其中缘对流体的影响。其中13第13页，共82页，编辑于2022年，星期二 h h为两平板间的距离，为两平板间的距离，A A为平板面积。为平板面积。若若对对上上板板施施加加力力F F，并并使使上上板板以以速速度度U U保保持持匀匀速速直直线线运运动动，则则内内摩摩擦力擦力T=FT=F。通过牛顿平板实验得出：。通过牛顿平板实验得出：因因流流体体质质点点粘粘附附于于固固体体壁壁上上，故故下下板板上上流流体体质质点点的的速速度度为为零零，紧紧贴贴上上板板的的液液体体质质点点速速度度为为U U。当当h h及及U U不不太太大大时时，板板间间沿沿法法线方向的点流速可看成线性分布，即：线方向的点流速可看成线性分布，即：14第14页，共82页，编辑于2022年，星期二 所以，内摩擦力为：所以，内摩擦力为：此此式式即即为为牛牛顿顿内内摩摩擦擦定定律律公公式式。其其中中：为为动动力力粘粘度度，表表征征流流体体抵抵抗抗变变形形的的能能力力，它它和和密密度度的的比比值值称称为为流流体体的的运运动动粘度粘度 。在运用牛顿内摩擦定律公式时应注意在运用牛顿内摩擦定律公式时应注意:此式不仅适用于液体，也适用于气体。此式不仅适用于液体，也适用于气体。此此式式表表明明，流流体体内内有有相相对对运运动动时时，流流体体内内就就会会产产生生内内摩摩擦擦力力来来抗抗拒此相对运动。拒此相对运动。切切应应力力的的大大小小与与流流体体的的粘粘性性以以及及沿沿运运动动垂垂直直方方向向上上的的速速度度梯梯度度du/dydu/dy成正比。成正比。15第15页，共82页，编辑于2022年，星期二2 2、内摩擦力产生的原因、内摩擦力产生的原因流体分子（尤其是气体分子）的不规则热运动，使得不同速度的相邻流体之间发生质量和动量交换质量和动量交换。粘性流体所产生的内摩擦力由牛顿粘性定律确定 =du/dy N/m2式中 du/dy：速度梯度，1/s；：剪切力，N/m2；：粘度，也称动力粘度，Ns/m2即Pas。在流体力学计算中，也经常用=/m2/s，为运动粘度。16第16页，共82页，编辑于2022年，星期二l气体粘度与温度之间的关系表示为：lt=0(273+C)/(T+C)(T/273)3/2 Pas l式中 t：在t时气体的粘度，Pas；l 0：在0时气体的粘度，Pas；l T：气体的温度，K；l C：与气体性质有关的常数。几种气体的0和C值见下表1.1。17第17页，共82页，编辑于2022年，星期二气 体0107（Pas）C(K)C值适用的温度范围()空 气N2O2CO2COH2CH4C2H4NH3SO2H2O发生炉煤气燃 烧 产 物1.711.661.871.371.660.841.200.960.961.170.821.451.47114118138239.711871.7198225.93774166731501700300501001718621302151002130217100213021518418100表1.1 各种气体的0和C值18第18页，共82页，编辑于2022年，星期二3、粘度的表示方法粘度的表示方法l动力粘度（动力粘度（PaPas s或泊）或泊）l运动粘度（运动粘度（m m2 2/s/s）19第19页，共82页，编辑于2022年，星期二（三）浮力（三）浮力l液体在空气中受到的浮力可以忽略。但热气体液体在空气中受到的浮力可以忽略。但热气体则不能忽略则不能忽略水水=1000kg/m=1000kg/m3 3热气体热气体=0.6kg/m3例：例：H=10m；A=1m2的两不同流体柱，处于密度为的两不同流体柱，处于密度为=1.2kg/m=1.2kg/m3 3的大气环境中，其所受到的浮力情况。的大气环境中，其所受到的浮力情况。20第20页，共82页，编辑于2022年，星期二1 1、流体平衡微分方程、流体平衡微分方程 在在静静止止流流体体中中任任取取一一微微元元六六面面体体，其其边边长长分分别别为为dxdx，dydy，dzdz，坐标的选取如下图。，坐标的选取如下图。分分析析x x方方向向的的受受力力平平衡衡情情况况：作作用用于于微微元元体体上上的的质质量量力力在在x x方方向向的的投投影影为为 ，设设六六面面体体形形心心处处的的静静压压强强为为p p，则则作用在左面作用在左面ABCDABCD上的总压力为上的总压力为 作用在右面作用在右面EFGHEFGH上的总压力为上的总压力为二、气体流动的基本原理二、气体流动的基本原理-(一一一一)静力学基本方程式静力学基本方程式静力学基本方程式静力学基本方程式21第21页，共82页，编辑于2022年，星期二 因此作用在该微元体因此作用在该微元体x x方向的表面力为：方向的表面力为：建立建立x x方向受力平衡关系式方向受力平衡关系式 上式除以微元体质量上式除以微元体质量 ，得：，得：同理从同理从y y、z z方向建立受力平衡关系式有：方向建立受力平衡关系式有：（1 1）22第22页，共82页，编辑于2022年，星期二 上式即为静止流体平衡微分方程，也称欧拉平衡微分上式即为静止流体平衡微分方程，也称欧拉平衡微分方程。方程。将（将（1 1）中三个方程交叉求导得：（不可压缩均质流体）中三个方程交叉求导得：（不可压缩均质流体 ）（2 2）（2 2）式表明存在势函数）式表明存在势函数W W（x x、y y、z z）满足：）满足：23第23页，共82页，编辑于2022年，星期二 将（将（1 1）式中三个方程分别乘以）式中三个方程分别乘以dxdx、dydy、dzdz再相加得：再相加得：所以：所以：（3 3）这就是流体平衡压强分布规律的基本微分关系式。由（这就是流体平衡压强分布规律的基本微分关系式。由（3 3）式可以看出静止流体的一些特性：式可以看出静止流体的一些特性：等压面也是等势面。等压面也是等势面。等压面与质量力正交。等压面与质量力正交。24第24页，共82页，编辑于2022年，星期二质量力只有重力时静力学基本方程质量力只有重力时静力学基本方程 在在实实际际应应用用中中，作作用用在在平平衡衡流流体体上上的的质质量量力力常常常常只只有有重重力力，以以下下就讨论重力场中静止流体的压强分布规律。就讨论重力场中静止流体的压强分布规律。对静止流体，因：对静止流体，因：由（由（3 3）式有）式有 时，将上式积分得：时，将上式积分得：（4 4）对于静止流体中任意两点，有对于静止流体中任意两点，有 （5 5）（4 4）（）（5 5）两式均为不可压缩流体静力学基本方程。）两式均为不可压缩流体静力学基本方程。2 2、流体静力学基本方程、流体静力学基本方程25第25页，共82页，编辑于2022年，星期二 其其中中 和和 均均具具有有长长度度量量纲纲，表表示示某某点点所所在在的的位位置置距距基基准准面的垂直高度称为位置水头，面的垂直高度称为位置水头，称为压力水头，称为压力水头，称为测压管水头。由静力学基本方程称为测压管水头。由静力学基本方程 可可以以看看出出静静止止流流体体中中各各点点位位置置水水头头和和压压力力水水头头可可以以相相互互转转换换，但但各各点点测测压压管管水水头头相相等等并并为为一一水水平平线线，如如图图1、2两两点点的的测测压压管管液液位位在同一位置高度。在同一位置高度。26第26页，共82页，编辑于2022年，星期二 3 3、绝对压强、相对压强、真空值、绝对压强、相对压强、真空值 绝对压强绝对压强 ：以绝对真空状态的压强为零点计量的压强值。以绝对真空状态的压强为零点计量的压强值。相对压强相对压强 ：以当地大气压作为零点计量的压强值。以当地大气压作为零点计量的压强值。真空值真空值 ：以当地大气压作为零点计量的小于大气压的数值。以当地大气压作为零点计量的小于大气压的数值。从从上上面面定定义义可可知知：绝绝对对压压强强的的数数值值只只可可能能为为正正，而而相相对对压压强强的数值则可正可负。如右的数值则可正可负。如右 图，三者的关系可表达为：图，三者的关系可表达为：27第27页，共82页，编辑于2022年，星期二对处于平衡状态气体内部的任意两点：气体静力学基本方程可表示为：气体静力学基本方程可表示为：P1 1+gZgZgZgZ1 1 1 1=P P2 2+gZ2 2对于温度均匀、密度均匀的静止气体，压强的分布关系对于温度均匀、密度均匀的静止气体，压强的分布关系对于温度均匀、密度均匀的静止气体，压强的分布关系对于温度均匀、密度均匀的静止气体，压强的分布关系是：是：是：是：下部气体压强较上部大，二者差值为下部气体压强较上部大，二者差值为gHgH,即与即与即与即与其高度有关。其高度有关。其高度有关。其高度有关。例题：有一个窑炉，内部充满热烟气，烟气温度为例题：有一个窑炉，内部充满热烟气，烟气温度为10001000，烟气的标态，烟气的标态密度为密度为1.30kg/Nm1.30kg/Nm3 3；窑外空气温度为；窑外空气温度为2020，空气的标态密度为，空气的标态密度为1.293kg/Nm1.293kg/Nm3 3，窑底处内、外压强相等为，窑底处内、外压强相等为1 1个大气压。求：距离个大气压。求：距离窑底窑底0.7m0.7m处窑内、外气体压强各为多少？相对压强为多少？处窑内、外气体压强各为多少？相对压强为多少？28第28页，共82页，编辑于2022年，星期二 解：根据公式t/o=To/Tt，则烟气、空气分别在1000、20时的密度：a=1.293273/293=1.21kg/m3 f=1.30273/(273+1000)=0.28kg/m3 根据基本方程式求出气体压强：pa1=pa2-agH=101325-1.219.810.7=101317Pa pf1=pf2-fgH=101325-0.289.810.7=101323Pa 距窑底0.7m处相对压强 pf1-pa1=101323-101317=6Pa。29第29页，共82页，编辑于2022年，星期二二、气体流动的基本原理二、气体流动的基本原理-（二）连续性方程式（二）连续性方程式连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表达式。连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的具体表达式。1 1、三维流动连续性方程、三维流动连续性方程 假定流体连续地假定流体连续地 充满整个流场，从中充满整个流场，从中 任取出以任取出以 点为中心的微小六面点为中心的微小六面 体空间作为控制体如体空间作为控制体如 右图。控制体的边长右图。控制体的边长 为为dxdx，dydy，dzdz，分别，分别 平行于直角坐标轴平行于直角坐标轴x x，30第30页，共82页，编辑于2022年，星期二 y y，z z。设控制体中心点处流速的三个分量为。设控制体中心点处流速的三个分量为 ,液体密液体密度为度为 。将各流速分量按泰勒级数展开，并略去高阶微量，可。将各流速分量按泰勒级数展开，并略去高阶微量，可得到该时刻通过控制体六个表面中心点的流体质点的运动速度。得到该时刻通过控制体六个表面中心点的流体质点的运动速度。例如：通过控制体前表面中心点例如：通过控制体前表面中心点M M的质点在的质点在x x方向的分速度为方向的分速度为 通过控制体后表面中心点通过控制体后表面中心点N N的质点在的质点在x x方向的分速度为方向的分速度为 因所取控制体无限小，故认为在其各表面上的流速均匀分布。所以单因所取控制体无限小，故认为在其各表面上的流速均匀分布。所以单位时间内沿位时间内沿x x轴方向流入控制体的质量为轴方向流入控制体的质量为31第31页，共82页，编辑于2022年，星期二 流出控制体的质量为流出控制体的质量为 于是，单位时间内在于是，单位时间内在x x方向流出与流入控制体的质量差为方向流出与流入控制体的质量差为 同同理理可可得得在在单单位位时时间间内内沿沿y y，z z方方向向流流出出与与流流入入控控制制体体的的质质量量差为差为 和和 由由连连续续介介质质假假设设，并并根根据据质质量量守守恒恒原原理理知知：单单位位时时间间内内流流出出与与流流入入控控制制体体的的质质量量差差的的总总和和应应等等于于六六面面体体在在单单位位时时间间内内所所减少的质量。所以减少的质量。所以32第32页，共82页，编辑于2022年，星期二 整理得整理得 此式即为连续性微分方程的一般形式。适用于定常流及非定常流。此式即为连续性微分方程的一般形式。适用于定常流及非定常流。对于定常流：对于定常流：，上式成为，上式成为 对于均质不可压缩流体对于均质不可压缩流体 ，则不论定常流或非定常流均有，则不论定常流或非定常流均有 对二维流动连续性微分方程为对二维流动连续性微分方程为 上面四个方程对于理想流体和实际流体均适用。上面四个方程对于理想流体和实际流体均适用。33第33页，共82页，编辑于2022年，星期二 2 2、一维不可压缩流体定常总流连续性方程、一维不可压缩流体定常总流连续性方程 如如图图，从从总总流流中中任任取取一一段段，进进、出出口口断断面面的的面面积积分分别别为为A A1 1、A A2 2，在在从从总总流流中中任任取取一一个个元元流流，其其进进、出出口口断断面面的的面面积积和和流流速速分分别别为为dAdA1 1、v v1 1；dAdA2 2、v v2 2。根根据据质质量量守守恒恒原原理理，单单位位时时间间内内从从dAdA1 1流进的流体质量等于从流进的流体质量等于从dAdA2 2流出的流体质量，即流出的流体质量，即 对于不可压缩均质流体，对于不可压缩均质流体，。上式变为。上式变为 总流是流场中所有元流的总总流是流场中所有元流的总 和，所以由上式可写出总流和，所以由上式可写出总流 连续性方程连续性方程34第34页，共82页，编辑于2022年，星期二 1、理想流体运动微分方程的伯努利积分、理想流体运动微分方程的伯努利积分 欧拉运动微分方程只能在满足某些特定条件的情况下才能欧拉运动微分方程只能在满足某些特定条件的情况下才能求其解。这些特定条件为：求其解。这些特定条件为：定常流定常流 均质不可压缩流体，即均质不可压缩流体，即 ；质量力有势，设质量力有势，设W W（x x、y y、z z）为质量力势函数，则：）为质量力势函数，则：二、气体流动的基本原理二、气体流动的基本原理-（三）（三）伯努利能量方程伯努利能量方程35第35页，共82页，编辑于2022年，星期二 对定常的有势质量力对定常的有势质量力沿流线积分沿流线积分 在定常流条件下沿流线积分就是沿迹线积分，沿流线取微元位在定常流条件下沿流线积分就是沿迹线积分，沿流线取微元位移移ds（dx，dy，dz）则有则有 上述积分条件称为伯努利积分条件。将流线上所取的上述积分条件称为伯努利积分条件。将流线上所取的ds的三个分的三个分量量dx，dy，dz分别乘欧拉运动微分方程式，然后将三个等式相加得分别乘欧拉运动微分方程式，然后将三个等式相加得36第36页，共82页，编辑于2022年，星期二 利用上述四个积分条件得利用上述四个积分条件得 因因 为常数，故上式可以写为为常数，故上式可以写为 积分得积分得 此此式式即即为为欧欧拉拉运运动动微微分分方方程程的的伯伯努努利利积积分分，它它表表明明：对对于于不不可可压压缩缩理理想想流流体体，在在有有势势质质量量力力作作用用下下作作定定常常流流时时，在在同同一一条条流流线线上上 值值保保持持不不变变，该该常常数数值值称称为为伯伯努努利利积积分分常常数数。对对于于不不同同的的流流线线伯伯努利积分常数一般不相同。努利积分常数一般不相同。37第37页，共82页，编辑于2022年，星期二2、重力作用下理想流体元流的伯努利方程、重力作用下理想流体元流的伯努利方程 当当元元流流的的过过流流断断面面面面积积趋趋于于0时时，元元流流便便是是流流线线。所所以以前前式式也适用于元流。也适用于元流。若作用在理想流体上的质量力只有重力，则有若作用在理想流体上的质量力只有重力，则有 将其代入前式得将其代入前式得 对对元元流流任任意意两两断断面面的的中中心心点点或或一一条条流流线线上上的的任任意意两两点点1与与2，上上式式可可改改写为写为 此式即为理想流体元流或流线的伯努利方程。此式即为理想流体元流或流线的伯努利方程。38第38页，共82页，编辑于2022年，星期二 3、理想流体元流伯努利方程的几何意义与能量意义、理想流体元流伯努利方程的几何意义与能量意义 (1)、几何意义、几何意义 伯努利方程式每一项的量纲与长度相同，都表示某一高度。如图：伯努利方程式每一项的量纲与长度相同，都表示某一高度。如图：表示研究点相对某一基准面的几何高度，称位置水头。：表示研究点相对某一基准面的几何高度，称位置水头。：表表示示研研究究点点处处压压强强大大小小的的高高度度，表表示示与与该该点点相相对对压压强强相相当的液柱高度，称压强水头。当的液柱高度，称压强水头。：称测压管水头。：称测压管水头。：表示研究点处速度大小的高度，：表示研究点处速度大小的高度，称流速水头。称流速水头。：称总水头。：称总水头。39第39页，共82页，编辑于2022年，星期二 伯伯努努利利方方程程表表明明重重力力作作用用下下不不可可压压缩缩理理想想流流体体定定常常流流动动过过程程中中三种形式的水头可互相转化，但总水头沿流程守恒。三种形式的水头可互相转化，但总水头沿流程守恒。(2）、能量意义、能量意义 ：表示单位质量流体对某一基准具有的位置势能。：表示单位质量流体对某一基准具有的位置势能。：表示单位质量流体具有的压强势能。：表示单位质量流体具有的压强势能。：表示单位质量流体具有的动能。：表示单位质量流体具有的动能。伯伯努努利利方方程程也也表表明明重重力力作作用用下下不不可可压压缩缩理理想想流流体体定定常常流流动动过过程程中中单单位位重重量量流流体体所所具具有有的的位位能能、动动能能和和压压强强势势能能可可互互相相转转化化，但总机械能保持不变。但总机械能保持不变。40第40页，共82页，编辑于2022年，星期二 例：如图，风机吸入口直径例：如图，风机吸入口直径200mm，压力测量计测压力测量计测得水柱高度得水柱高度40mm，空气密度空气密度1.2kg/m3，不计气体流不计气体流动过程的能量损失，求风机的风量？动过程的能量损失，求风机的风量？解：选取图中解：选取图中解：选取图中解：选取图中I I I II I I I、IIIIIIIIIIIIIIII截面，列出截面，列出截面，列出截面，列出柏努利方程式：柏努利方程式：柏努利方程式：柏努利方程式：p p p p1 1 1 1+gz+gz+gz+gz1 1 1 1+u+u+u+u1 1 1 12 2 2 2/2=p/2=p/2=p/2=p2 2 2 2+gz+gz+gz+gz2 2 2 2+u+u+u+u2 2 2 22 2 2 2/2+h/2+h/2+h/2+hl l l l1-21-21-21-2 因因因因I I I I、IIIIIIII截面处于同一高度，有截面处于同一高度，有截面处于同一高度，有截面处于同一高度，有z z z z1 1 1 1=z=z=z=z2 2 2 2；空气静止；空气静止；空气静止；空气静止u u u u1 1 1 1=0=0=0=0；不计压头损失，；不计压头损失，；不计压头损失，；不计压头损失，h h h hl l l l1-1-1-1-2 2 2 2=0=0=0=0，得到：得到：得到：得到：p p p p1 1 1 1=p=p=p=p2 2 2 2+u+u+u+u2 2 2 22 2 2 2/2/2/2/2 因为因为因为因为P P1 1为大气压强，为大气压强，为大气压强，为大气压强，p p2 2=p=p1 1-409.81=p-409.81=p1 1-392.4-392.4，所以有所以有所以有所以有 u u2 22 2/2=392.4/2=392.4，u u2 2=(392.42/1.2)=(392.42/1.2)0.50.5=25.6m/s=25.6m/s 流量流量流量流量qv=uF=25.6(/4)0.22=0.804 mqv=uF=25.6(/4)0.22=0.804 m3 3/s/s。41第41页，共82页，编辑于2022年，星期二3、硅酸盐窑炉中的伯努利方程1 12 2a冷热气体共存Z1Z2(1)(2)Z2Z1（1）-（2）42第42页，共82页，编辑于2022年，星期二剩余几何压头hge剩余静压头hs剩余动压头hk压头损失基准面在下面基准面在下面43第43页，共82页，编辑于2022年，星期二基准面在上面基准面在上面44第44页，共82页，编辑于2022年，星期二4、压头转换关系、压头转换关系hgehshkhl45第45页，共82页，编辑于2022年，星期二实例实例1：11221 12 2aZ1Z2Z2Z1实例实例2：12v46第46页，共82页，编辑于2022年，星期二例：如图所示倒焰窑，高例：如图所示倒焰窑，高3.2m，窑内烟气温度为，窑内烟气温度为1200，烟气，烟气标态密度标态密度f,0=1.3kg/Nm3，外界空气温度，外界空气温度20，空气标态密度，空气标态密度a,0=1.293kg/Nm3，当窑底平面的静压头为当窑底平面的静压头为0Pa，-17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求三种情况下，窑顶以下空间静时，不计流体阻力损失，求三种情况下，窑顶以下空间静压头，几何压头分布状况。压头，几何压头分布状况。47第47页，共82页，编辑于2022年，星期二解：根据题意分析，由于窑炉空间气体流速不大，可近似采用两气体解：根据题意分析，由于窑炉空间气体流速不大，可近似采用两气体静力学方程式进行计算。选择截面如图，基准面选择在窑顶静力学方程式进行计算。选择截面如图，基准面选择在窑顶IIII截截面上。面上。列出静力学方程式列出静力学方程式 hs1+hg1=hs2+hg2由于基准面取在截面由于基准面取在截面II上，上，hg2=0代入具体公式进行计算：代入具体公式进行计算：hg1=Hg(a-f)a=a,0T0/T=1.293273/293=1.20kg/m3 f=f,0T0/T=1.30273/1473=0.24kg/m3hg1=3.29.81(1.20-0.24)=30Pa48第48页，共82页，编辑于2022年，星期二 当当hs1=0时，时，hs2=hg1=30Pa 当当hs1=-17时，时，hs2=-17+30=13 Pa 当当hs1=-30时，时，hs2=-30+30=0 Pa 在第一种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如图在第一种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如图a所示。其能量总和为：所示。其能量总和为：hs+hg=c1=30Pa 在第二种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布在第二种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如图如图b所示。其能量总和为：所示。其能量总和为：hs+hg=c2=13Pa 在第三种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如图在第三种情况下，窑炉空间的静压头、几何压头分布如图c所所示。其能量总和为：示。其能量总和为：hs+hg=c3=049第49页，共82页，编辑于2022年，星期二例例:热气体沿竖直管道流动，如图热气体沿竖直管道流动，如图1.8所示，密度所示，密度h=0.75kg/m3，外界空气密度，外界空气密度1.2kg/m3，II面动压头面动压头12Pa，IIII面动压面动压30Pa，沿程压头损失，沿程压头损失15Pa，II面相对静压头面相对静压头200Pa，求气体，求气体由上而下运动和气体由下而上运动由上而下运动和气体由下而上运动IIII的相对静压头为多少的相对静压头为多少？绘出两种情况的能量分布图。？绘出两种情况的能量分布图。50第50页，共82页，编辑于2022年，星期二解：气体由上而下流动解：气体由上而下流动 hs1+hg1+hk1=hs2+hg2+hk2+hl1-2 选选II为基准面，为基准面，hg1=0 hs1-hs2=hg2+(hk2-hk1)+hl1-2 200-hs2=10g(1.2-0.75)+(30-12)+15 hs2=123Pa 其压头能量转换转换关系为：其压头能量转换转换关系为：hshkhl hg 51第51页，共82页，编辑于2022年，星期二气体由下而上流动，气体由下而上流动，有：有：hs2+hg2+hk2=hs1+hg1+hk1+hl2-1 选选II为基准面，为基准面，hg1=0 则：则：hs1-hs2=hg2+(hk2-hk1)-hl2-1 200-hs2=10g(1.2-0.75)+(30-12)-15；hs2=153Pa其压头能量转换转换关系为：其压头能量转换转换关系为：hkhl hghs52第52页，共82页，编辑于2022年，星期二二、气体流动的基本原理二、气体流动的基本原理-（四）阻力损失（四）阻力损失 1、摩擦阻力、摩擦阻力 气体在管道内流动，由于管壁的摩擦作用以及气体内部的气体在管道内流动，由于管壁的摩擦作用以及气体内部的摩擦作用，形成了管道对气体的摩擦阻力。摩擦作用，形成了管道对气体的摩擦阻力。摩擦阻力的计算式：摩擦阻力的计算式：hlm=l/d(u2/2)Pa 式中式中:摩擦阻力系数；摩擦阻力系数；l:管道长度，管道长度，m；d:管道直径，对非圆形管道取当量直径管道直径，对非圆形管道取当量直径de；u2/2：气体动压头，：气体动压头，Pa53第53页，共82页，编辑于2022年，星期二 气体在直管内做气体在直管内做层流流动层流流动时，摩擦阻力系数时，摩擦阻力系数=64/Re，式中：式中：Re，雷诺数；，雷诺数；气体做气体做湍流流动湍流流动时，摩擦阻力系数不仅与时，摩擦阻力系数不仅与Re有有关，还与管壁粗糙度有关，关，还与管壁粗糙度有关，=A/Ren 54第54页，共82页，编辑于2022年，星期二 当气体管道发生局部变形，如扩张、收缩、拐弯、当气体管道发生局部变形，如扩张、收缩、拐弯、通道设闸板等障碍。气流速度与方向均发生变化，局通道设闸板等障碍。气流速度与方向均发生变化，局部阻力部阻力hlj计算式：计算式：hlj=K(u2/2)K局部阻力系数，局部阻力系数，K决定于局部阻力性质决定于局部阻力性质（障碍形状与尺寸）（障碍形状与尺寸）2 2、局部阻力、局部阻力55第55页，共82页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 窑炉系统内不可压缩气体的流动窑炉系统内不可压缩气体的流动一、不可压缩气体通过小孔的流出和吸入一、不可压缩气体通过小孔的流出和吸入1缩流现象缩流现象当气体由一较大的空间突然经过小孔向外流出当气体由一较大的空间突然经过小孔向外流出时、时、气体的静压头转变为动压头，其压强降气体的静压头转变为动压头，其压强降低，速度增加，低，速度增加，在流出气体的惯性作用下，气在流出气体的惯性作用下，气流发生收缩、在流发生收缩、在截面处形成一个最小截面截面处形成一个最小截面F2 缩流。缩流。缩流系数缩流系数 56第56页，共82页，编辑于2022年，星期二2 气体通过小孔的流出气体通过小孔的流出截面取在窑内，截面取在气流最小的截面上因因Z1=Z2，1=2，所以，所以；又因；又因F1F2，12所以所以hk1可忽略；又因可忽略；又因P2=Pa，所以，所以hs2=0.因此方程简化为因此方程简化为令令57第57页，共82页，编辑于2022年，星期二薄壁和厚壁：按气流最小截面的位置来划分的。凡气流最小截面在薄壁和厚壁：按气流最小截面的位置来划分的。凡气流最小截面在孔口外的壁称为薄壁，在孔口内的壁称为厚壁。构成厚壁的条件是：孔口外的壁称为薄壁，在孔口内的壁称为厚壁。构成厚壁的条件是：3.5de-局部阻力系数；局部阻力系数；Pa-外界的气压，外界的气压，Pa；P1-截面上的压强，截面上的压强，Pa；-窑内气体的密度，窑内气体的密度，kg/m3-速度系数，与气体流出时的阻力相关。速度系数，与气体流出时的阻力相关。通过小孔通过小孔F截面流出的气体体积流量截面流出的气体体积流量V为：为：式中：式中：-壁的厚度，壁的厚度，m；de-孔口的当量直径，孔口的当量直径，m。(m3/s)58第58页，共82页，编辑于2022年，星期二3气体通过小孔的吸入气体通过小孔的吸入二、不可压缩气体通过炉门的流出和吸入二、不可压缩气体通过炉门的流出和吸入m3/s 气体通过炉门流出和吸入量的计算原理与孔口相似，但要气体通过炉门流出和吸入量的计算原理与孔口相似，但要考虑炉门高度上静压头变化的影响。考虑炉门高度上静压头变化的影响。59第59页，共82页，编辑于2022年，星期二1 气体通过炉门的流出气体通过炉门的流出无论是哪种形状的炉门，无论是哪种形状的炉门，单位时间内通过微元面积单位时间内通过微元面积dF的流量，可用气体通过小孔的流量公式来计算：的流量，可用气体通过小孔的流量公式来计算：Z为基准面，窑底处为零压为基准面，窑底处为零压60第60页，共82页，编辑于2022年，星期二炉门气体体积流出量的近似计算式炉门气体体积流出量的近似计算式m3/s61第61页，共82页，编辑于2022年，星期二 Z。较大时，两式的误差是很小的，计算结果很接近。较大时，两式的误差是很小的，计算结果很接近。62第62页，共82页，编辑于2022年，星期二2气体通过炉门的吸入气体通过炉门的吸入自行推导自行推导m3/s炉门气体体积吸入量的近似计算式炉门气体体积吸入量的近似计算式63第63页，共82页，编辑于2022年，星期二三、分散垂直气流法则三、分散垂直气流法则1 分散垂直气流分散垂直气流当一股气流在垂直通道中被分别当一股气流在垂直通道中被分别成多股平行小气流时分散垂直成多股平行小气流时分散垂直气流气流64第64页，共82页，编辑于2022年，星期二2 分散垂直气流法则分散垂直气流法则在分散垂直通道内热气体应当自上而下流动才能使气流在分散垂直通道内热气体应当自上而下流动才能使气流温度均匀分布；同样，冷气体应当自下而上流动才能使气温度均匀分布；同样，冷气体应当自下而上流动才能使气流温度均匀分布。流温度均匀分布。此法则上要应用于几问压头起主要作用的通道内，如果通道内的阻力很大，此法则就不适用。原理：气体自上而下流动原理：气体自上而下流动A通道B通道几何压头几何压头为阻力为阻力65第65页，共82页，编辑于2022年，星期二原理：气体自下而上流动原理：气体自下而上流动A通道B通道几何压头为推动力几何压头为推动力66第66页，共82页，编辑于20