第一章-气体力学在窑炉中的应用课件.ppt

第第1章章 气体力学在窑炉中的应用气体力学在窑炉中的应用 1.1.0 0 概述概述一、气体力学概念一、气体力学概念 气体力学是从气体力学是从宏观角度宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门研究气体平衡和流动规律的一门学科。学科。二、研究气体力学意义二、研究气体力学意义1、气体在工业窑炉中的作用、气体在工业窑炉中的作用 载热体、反应剂、雾化剂载热体、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、气体流动与工业窑炉的操作与设计密切相关 主要有：主要有：气体的流动状态、速度、方向对热交换过程的影气体的流动状态、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；气流的混合对燃烧的影响；气流的分布对炉温炉压的影响。响。1.1 1.1 气体力学基础气体力学基础1.1.1 气体的物理属性气体的物理属性1.1.1.1 理想气体状态方程理想气体状态方程 在温度不过低（在温度不过低（T-20），压强不过大（），压强不过大（p200atm）时，气体遵守理想气体状态方程时，气体遵守理想气体状态方程 pv=RT 其中，其中，R=8314.3/M,J/kg.K;P气体的绝对压强气体的绝对压强，Pa；T 气体的温度，气体的温度，K；v 气体的比容，气体的比容，m3/kg 1.1.1.2 气体的压缩性和膨胀性气体的压缩性和膨胀性1、气体的压缩性气体的压缩性定义：定义：流体在外力作用下改变自身流体在外力作用下改变自身容积的特性。容积的特性。温度一定温度一定,P,V 表示：表示：压缩系数压缩系数p：当当温度不变温度不变时，压强每增加时，压强每增加1帕时，帕时，流体体积的流体体积的相对变化率相对变化率。气体气体 压缩系数很大，为可压缩流体压缩系数很大，为可压缩流体特殊情况：特殊情况：压强压强变化较小时视为变化较小时视为不可压缩不可压缩理想气体：理想气体：或或温度一定，温度一定，P V 理想气体的压缩系数理想气体的压缩系数：标态：标态：在无机材料工业窑炉中：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；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。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、气体的膨胀性定义定义:流体受热（或冷却）后改流体受热（或冷却）后改变自身容积的特性变自身容积的特性 表示表示:(1/K)气球受热气球受热膨胀膨胀膨胀系数膨胀系数T压强不变压强不变时，温度升高时，温度升高1K时时,流体体积的流体体积的相对变化率相对变化率 气体气体 膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大膨胀系数很大，温度变化时体积变化很大理想气体理想气体:压强一定，压强一定，T V 理想气体膨胀系数理想气体膨胀系数:标态标态:1.1.1.3 气体粘性气体粘性 1、定义：、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反抗相对运动的性质粘性产生粘性产生原因原因相邻气体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动，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。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）分子相互掺混产生动量交换。（主要原因）2、粘性产生原因、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表面受气体摩擦灼烧现摩擦灼烧现象明显象明显 牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律: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。梯度成正比。单位面积上的内摩擦力单位面积上的内摩擦力:动力粘度动力粘度速度梯速度梯度度-动力粘度或动力粘滞系数。动力粘度或动力粘滞系数。单位单位:N.s/m2或或kg/m.s或或Pa.s 3、绝对粘度与相对粘度绝对粘度与相对粘度绝对粘度绝对粘度动力粘度动力粘度 运动粘度运动粘度 相对粘度相对粘度：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等，我：恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等，我国常采用国常采用恩氏粘度恩氏粘度。单位：单位：单位：单位：mm2 2/s/s单位单位:N.s/m2或或kg/m.s或或Pa.s 4、混合气体的粘度、混合气体的粘度计算公式：计算公式：式中，式中，n混合气体的种类数；混合气体的种类数；m混合气体的粘度；混合气体的粘度；Mi、i、i混混合合气气体体中中各各组组分分的的分分子子量量、体体积积百百分分数数、粘度。粘度。5、粘度与温度的关系、粘度与温度的关系（1）影响粘度的因素）影响粘度的因素 液体：液体：主要取决于分子间的内聚力。主要取决于分子间的内聚力。温度温度T增大，增大，分子间距增加，内聚力减小，黏度降低。分子间距增加，内聚力减小，黏度降低。气体：气体：主要取决于分子紊乱运动，温度主要取决于分子紊乱运动，温度T增大，分子增大，分子热运动增强，黏度增大热运动增强，黏度增大（2）气体的粘度与温度的关系：）气体的粘度与温度的关系：C与气体性质有关的常数，见表与气体性质有关的常数，见表1-1 1.1.1.4 气体的浮力气体的浮力液体：一般可不考虑其在气体浮力的作用液体：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。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（高例如：在空气中有两个同样大小的流体柱（高10m,截面积截面积为为1m2）热热烟烟气气水水 1.1.2 气体动力学基本方程式气体动力学基本方程式质量守恒原理质量守恒原理连续性方程连续性方程热力学第一定律热力学第一定律能量方程能量方程（柏努利方程）（柏努利方程）牛顿第二定律牛顿第二定律动量方程动量方程 1.1.2.1 连续性方程连续性方程 在流场中取微元六面体，根据质量守恒定律，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。推出空间流动的连续性方程。方程适用条件：方程适用条件：可压缩流体，恒定流和非恒定流。可压缩流体，恒定流和非恒定流。讨论讨论（1）对于定常流动）对于定常流动:运动参数不随时间变化，则运动参数不随时间变化，则上式变为上式变为：（2）对于不可压缩流体，）对于不可压缩流体，=常数常数上式变为上式变为：对于管流对于管流在管路没有泄漏和补充的情在管路没有泄漏和补充的情况下况下,在同一时间内，流进任在同一时间内，流进任一截面的流体的质量和从另一截面的流体的质量和从另一截面流出的流体质量相等。一截面流出的流体质量相等。表达式表达式M M=M M出出 A1w11=A2w22=Aw 对不可压缩流体，对不可压缩流体，为常数为常数 1.1.2.2 伯努利方程伯努利方程流体的能量分析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能量除以流体体积即得相应压头即得相应压头几何压头 1.1.伯努利方程伯努利方程（1 1）理想流体的伯努利方程）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 任意取两个截面任意取两个截面1-11-1和和2-22-2，如图，如图:据能量守恒定律可得：据能量守恒定律可得：伯努利方程伯努利方程不可压缩的理想流体在等温流动过程中，在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、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。位能及动能之和是不变的。三者之间可以相互转化三者之间可以相互转化 (2)(2)实际情况下的伯努利方程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：实际流体有粘性，流动过程中有能量损失，能量方程：(3)(3)窑炉中窑炉中热热气体的伯努利方程：气体的伯努利方程：(4)(4)伯努利方程的简写式：伯努利方程的简写式：(5)(5)有能量输入或输出时：有能量输入或输出时：2.2.窑炉中热气体伯努利方程（二流体）窑炉中热气体伯努利方程（二流体）上式适用条件：上式适用条件：a)不可压缩流体；不可压缩流体；b)质量力仅有重力；质量力仅有重力；c)恒定流动恒定流动注意问题：基准面的选择一定在注意问题：基准面的选择一定在上方上方几何压头几何压头动压头动压头静压头静压头阻力损失阻力损失 （1）静压头）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）。相对压）。（2）相对几何压头）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。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。（3）动压头）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：单位体积的热气体所具有的动能。（4）压头损失）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。量。即：摩擦阻力损失和局部阻力损失的总和。摩擦阻力系数，与摩擦阻力系数，与流体流态流体流态有关有关局部阻力系数，见附录局部阻力系数，见附录2 （5）流体流动状态及判断）流体流动状态及判断雷诺实验雷诺实验层流过渡流紊流 流体的三种流态流体的三种流态（A A）层流：流体作有规则的平行流动，质点之间互不干扰混杂）层流：流体作有规则的平行流动，质点之间互不干扰混杂（B B）过渡流）过渡流：质点沿轴向前进时，在垂直于轴向上也有分速度质点沿轴向前进时，在垂直于轴向上也有分速度（C C）紊（湍）流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂）紊（湍）流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂 流态判断流态判断：雷诺准数圆形管道圆形管道d为直径为直径,非非圆形管道用当量直径圆形管道用当量直径当量直径当量直径de=水利半径水利半径RH4 4水利半径水利半径Re2300时，流态为层流；时，流态为层流；Re10000时，流态为湍流；时，流态为湍流；2300ReF2，w1w2，所以，所以hk1可忽略；又因可忽略；又因P2=Pa，所以，所以hs2=0伯努利方程简化为：伯努利方程简化为：即：即：速度系数速度系数与流体流出时的阻力有关与流体流出时的阻力有关由实验确定由实验确定 通过小孔流出的气体流量：通过小孔流出的气体流量：流量系数流量系数=由实验确定由实验确定通过小孔吸入的气体流量：通过小孔吸入的气体流量：2、气体通过炉门的吸入和流出、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）气体通过炉门的流出（炉内正压）如图。设炉门高为如图。设炉门高为H，宽为，宽为B 炉炉门门与与小小孔孔区区别别为为炉炉门门内内的的压压强强随高度而变化随高度而变化。在炉门中心线上取一微元体在炉门中心线上取一微元体dz 则微元体面积为：则微元体面积为：dF=B dz，设炉门中心线距离零压面的高度设炉门中心线距离零压面的高度为为z，炉门下边缘距零压面高度为，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炉门上边缘距零压面高度为z2HZ1ZZ2pazdzpz零压面零压面 paB 运用前面的公式，可得运用前面的公式，可得代入上式，得：代入上式，得：取取z为常数，则为常数，则HZ1ZZ2pazdzpz零零压压面面 paB应特别注意PZ与Z的关系 B)气体通过炉门的吸入气体通过炉门的吸入(炉内负压炉内负压)同理同理结论：正压操作时结论：正压操作时-气体从炉内往外流，气体从炉内往外流，负压操作时负压操作时-气体从外往炉内流气体从外往炉内流 1.2.2分散垂直气流法则分散垂直气流法则窑窑炉炉内内分分散散垂垂直直通通道道要要求求温温度度分分布布均均匀匀，那那么么，怎怎么么才才能能够够使使温温度度分分布布均均匀匀呢呢？分分散散垂垂直直气流法则回答了这个问题。气流法则回答了这个问题。分散垂直气流分散垂直气流概念概念:指指一一股股气气流流在在垂垂直直的的通通道道内内被分成多股平行的小气流被分成多股平行的小气流1122ab n分散垂直气流分散垂直气流法则：法则：在分散垂直气流通道内，在分散垂直气流通道内，热气体应自上而下流动，才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。够使气流温度分布均匀。n分散垂直气流法则分散垂直气流法则适用范围适用范围：适用于适用于几何压头起主要作用的通道内几何压头起主要作用的通道内（如倒焰窑）。（如倒焰窑）。若通道内的阻力很大（如立窑），此法则不再适用。若通道内的阻力很大（如立窑），此法则不再适用。法则分析法则分析：如图如图1、假设一股热气流被分成两股气流、假设一股热气流被分成两股气流,在在a.b垂直通道内垂直通道内自上而自上而 下流动下流动.取有效断面取有效断面1-1与与2-2，两截面之间的二气流的柏努，两截面之间的二气流的柏努利方程利方程 对于通道对于通道a取取1-1为基准面为基准面,几何压头几何压头:1122ab静压头静压头：动压头：动压头：阻力损失阻力损失将各项代入，则柏努利方程将各项代入，则柏努利方程 变为变为 同理同理对于通道对于通道b要使温度分布均匀，必须满足要使温度分布均匀，必须满足a、b通道通道内静压差相等内静压差相等即即该方程为该方程为气流自上而下流动时的温度分布均匀条件气流自上而下流动时的温度分布均匀条件 2、假设一股冷气流被分成两股气流，在假设一股冷气流被分成两股气流，在a.b垂直通道内垂直通道内自自下而上流动。下而上流动。取有效断面取有效断面1-1与与2-2，列二气流的柏努利方程，列二气流的柏努利方程 对于通道对于通道a取取1-1为基准面为基准面,几何压头几何压头:静压头：静压头：动压头：动压头：阻力损失阻力损失将各项代入，则柏努利方程将各项代入，则柏努利方程 变为变为 同理同理要使温度分布均匀，必须满足要使温度分布均匀，必须满足a、b通道内静压差相等通道内静压差相等即即该方程为冷该方程为冷气流气流自下而上流动自下而上流动时的温度分布均匀条件时的温度分布均匀条件结论：保证结论：保证a、b通道通道温度分布均匀条件温度分布均匀条件热气流热气流自上而下流动：自上而下流动：冷气流冷气流自下而上流动：自下而上流动：法则的应用（几何压头起主要作用的通道内）：法则的应用（几何压头起主要作用的通道内）：（1）若使热气体）若使热气体自上而下流动，则几何压头相当于阻力，自上而下流动，则几何压头相当于阻力，所以所以a通道阻力大，使得通道阻力大，使得Va Vb，因而因而a通道内的热气通道内的热气体越来越多，体越来越多，ta就越来越高，从而导致就越来越高，从而导致a、b温度分布更加不温度分布更加不均匀。均匀。假定由于某种原因使假定由于某种原因使ta tb 因此：因此：热气流只有自上而下流动，才能保证热气流只有自上而下流动，才能保证a、b通道温度分布通道温度分布均匀条件；均匀条件；冷气流只有自下而上流动，才能保证冷气流只有自下而上流动，才能保证a、b通道温度分布通道温度分布均匀条件（自行分析）均匀条件（自行分析）1.2.3气体射流气体射流1、射流的概念射流的概念2、射流的分类射流的分类按流动形态按流动形态按射入空间按射入空间层流：发生管嘴较小，喷出气体量较小层流：发生管嘴较小，喷出气体量较小湍流：发生管嘴较大，喷出气体量较大湍流：发生管嘴较大，喷出气体量较大自由射流：喷射到充满静止介质的无限空间自由射流：喷射到充满静止介质的无限空间受限射流：喷射到有限空间，受到有限空间受限射流：喷射到有限空间，受到有限空间限制限制 3、受限射流受限射流 无机材料工业窑炉多数的射流受到射入空间的限制，而无机材料工业窑炉多数的射流受到射入空间的限制，而受限空间（窑炉、燃烧室）内的气体循环情况，直接影响窑受限空间（窑炉、燃烧室）内的气体循环情况，直接影响窑内的传热。内的传热。讨论：讨论：影响受限空间气体循环的因素影响受限空间气体循环的因素（1）受限空间的大小受限空间的大小用射流出口截面与有限空间截面积之比衡量用射流出口截面与有限空间截面积之比衡量n n很小，即为自由射流；很小，即为自由射流；n n很大，即为管流。很大，即为管流。上述两种情况，上述两种情况，气体循环均为零气体循环均为零！（2）射流喷出口的位置射流喷出口的位置 （3）射流喷出口与气流出口的相对位置射流喷出口与气流出口的相对位置 （4）射流的喷出压强及射流与墙面交角的影响射流的喷出压强及射流与墙面交角的影响 喷出压强喷出压强 P ，喷出速度，喷出速度w ，产生回流区的气体愈多，产生回流区的气体愈多，气体循环强烈。气体循环强烈。射流与墙面交角大，形成回流小。射流与墙面交角大，形成回流小。1.3 烟囱烟囱1.3.1烟囱的工作原理烟囱的工作原理1.原理原理：由于热气体受到外界空气的浮力而向上流动产生由于热气体受到外界空气的浮力而向上流动产生一定的几何压头，在烟囱底部产生负压（抽力）。一定的几何压头，在烟囱底部产生负压（抽力）。如抽力能克服窑炉系统的总阻力，就能如抽力能克服窑炉系统的总阻力，就能使烟气从使烟气从窑内断地流至烟囱底部，通过烟囱而排入大气。窑内断地流至烟囱底部，通过烟囱而排入大气。烟囱底部负压的绝对值烟囱底部负压的绝对值即烟囱底部的真空度即烟囱底部的真空度 抽力抽力 烟囱抽力计算：烟囱抽力计算：断面断面 1-2的伯努利方程式：的伯努利方程式：Z20，Z1H，p2pa，烟囱抽力烟囱抽力等于烟囱的几何压头减去烟囱内气体等于烟囱的几何压头减去烟囱内气体动压头的增量和烟囱内气体的摩擦阻力损失动压头的增量和烟囱内气体的摩擦阻力损失w2 p2 w1 av a p1 221100H2.影响烟囱抽力的因素影响烟囱抽力的因素 （1）烟囱的高度烟囱的高度HH，h hc c（2）烟气的温度烟气的温度t，h hc c（3）空气的温度空气的温度t ta a，a a，h hc c（4）空气的湿度空气的湿度湿度湿度，a a，hchc（5）海拔高度海拔高度海拔海拔，a a，hchc 1.3.2烟囱的热工计算烟囱的热工计算1烟囱的直径烟囱的直径（1）烟囱顶部直径）烟囱顶部直径 自然通自然通风：w0 024 Bm/s机械通机械通风：w0 08 815 Bm/s施工要求：施工要求：砖烟囱和混凝土烟囱砖烟囱和混凝土烟囱d0.8m 顶部厚度顶部厚度24cm。（2）烟囱底部直径烟囱底部直径小型铁皮烟囱通常上下直径一般大圆筒形，也有用砖砌成的方形。小型铁皮烟囱通常上下直径一般大圆筒形，也有用砖砌成的方形。大型的砖、混凝土烟囱是底部直径大的锥体形，斜率为大型的砖、混凝土烟囱是底部直径大的锥体形，斜率为12%。底部直径底部直径或或2烟囱高度的计算烟囱高度的计算（1）烟囱高度确定的方法：烟囱高度确定的方法：据烟囱抽力公式计算据烟囱抽力公式计算近似计算：近似计算：或或 烟囱底部抽力烟囱底部抽力窑炉系统总阻力窑炉系统总阻力h a、克服窑炉沿途的摩擦阻力；、克服窑炉沿途的摩擦阻力；b、克服各种局部阻力；、克服各种局部阻力；c、当气体由上向下流动时，要克服几何压头作用；、当气体由上向下流动时，要克服几何压头作用；d、满足动压头的增量。、满足动压头的增量。（2）烟囱高度计算的步骤）烟囱高度计算的步骤估算高度估算高度 储备系数储备系数K=1.21.3 计算计算烟囱出口温度烟囱出口温度 温度降温度降(/m)砖烟囱砖烟囱K=1.21.3 计算烟囱内平均温度计算烟囱内平均温度 计算烟气的平均密度计算烟气的平均密度 计算烟囱高度计算烟囱高度H H计算计算H H与与估计高度估计高度HH的误差的误差 要求要求5%1.3.3烟囱设计时应注意的问题烟囱设计时应注意的问题1 1、为确保烟囱即使在夏季也有足够抽力，外界空气的密、为确保烟囱即使在夏季也有足够抽力，外界空气的密度应用夏季最高温度时的空气密度；度应用夏季最高温度时的空气密度；2 2、几条窑合用一个烟囱时，阻力损失值的计算按阻力最、几条窑合用一个烟囱时，阻力损失值的计算按阻力最大一座窑设计计算，而计算烟囱内径、内摩擦阻力损失大一座窑设计计算，而计算烟囱内径、内摩擦阻力损失和动压头增量时用的烟气量，取几座窑的总烟气量。和动压头增量时用的烟气量，取几座窑的总烟气量。3 3、高原地区气压较低，应进行修正；、高原地区气压较低，应进行修正；4 4、考虑到冷空气的吸入、烟道内积水、积灰及扩大再生、考虑到冷空气的吸入、烟道内积水、积灰及扩大再生产，烟囱的实际高度比理论计算高度提高产，烟囱的实际高度比理论计算高度提高1030%；5、烟囱高度设计符合环保和防火要求；烟囱高度设计符合环保和防火要求；