工业炉设计 6章(66-92)

66 第六章 低压气体流动阻力损失计算6.1 气体流动的性质和阻力损失计算原则6.1.1气体流动的性质气体流动的阻力损失与它的流动性质有关，决定气体流动性质的参数有：气体的流速W （m/s ），流动通道的水力直径（当量直径）d D （m ），气体的密度ρ（kg/m 3），气体的动力粘度μ（kg ²s/m 2）或运动粘度ν（ν=μ/ρ，m 2/s ）。

这些参数的组合作用可用一个无因次的准则数，即雷诺数Re 来表示：νμρD D Wd Wd ==Re （6-1）其中，流动通道的水力直径（当量直径）d D 按如下原则计算： ① 圆形管道： d D =d 内；② 矩形管道： SL S L U F d D +⋅==)()(24宽长 （6-1a ）③ 管群（直排或顺排）：外外d d x x U F d Dπ)785.0(44221-⋅== （6-1b ）实验研究表明：当Re<2300时，气体流动为层流。

层流时，平均速度为流股轴线流速的一半，即：最大均W W 21= （6-2a ）当Re>2300时，气体流动为紊流。

紊流时，平均流速W 均与紊流程度有关。

在工业炉应用范围内，气体流动通常为紊流状态，一般平均流速： W 均=(0.82~0.86)W 最大 （6-2b ） 式中：W 最大—管道中心轴线处流速，m/s 。

通常所说的管道流速，在无特别说明时，均指平均流速，用W （m/s ）表示。

6.1.2 阻力损失计算原则（1）一条总流路系统若有两条或两条以上的分支时，该流路总的阻力损失应以其中气体流动阻力损失最大的串联流路计算。

（2）被确定的计算串联流路中，管径、气体流量、温度等发生变化时，其阻力损失须分段进行计算。

分段的原则是流路中遇到下列情况之一时，则分为一段。

① 流路断面改变； ② 流量发生变化；③ 温度陡然而显著地发生变化（如气体流经换热器）。

同一段中，若气流方向发生变化（如90°拐弯），那么直管段部分与拐弯部分应分别计算。

6.2 计算数据的确定6.2.1计算流量的确定（1）流路只有一座或多座炉子同时工作时，应采用其最大小时流量作为计算流量。

（2）当流路中炉子数量较多，又不同时工作时，那么计算流量为各炉子最大流量之和乘以同时利用系数K （由实际工作状态决定）。

67表6-1 工业上不同气体在流路内的流速范围（3）以炉子的总燃料燃烧生成物（废气）量（ΣB 实V n ）作为进入烟道的废气计算流量时，可不再考虑由炉门、炉体等处的废气溢出量或空气吸入量。

（4）计算烟道中废气流路的流量时，由于烟道中是负压，应考虑从烟闸、人孔等处的大气吸入量和换热器的漏风量。

但不必考虑烟道砌体的空气渗漏以及烟道内渗水蒸发等量的影响。

这一项计算较复杂，通常采用经验估算法，即：从烟闸、人孔的吸入量约为烟气生成量的5%～10%；金属换热器的漏风量约为3%～5%，粘土换热器的漏风量约为25%～40%。

6.2.2流路横断面尺寸的确定流路通道的横断面尺寸按通道内气体的流量和流速确定。

不同气体流动通道内的气体流速，在无特殊要求时，一般可按表6-1选用。

（1）空(煤)气管道内径d 内的确定方法对于换热器前总管道、换热器后总管道和分支管道，根据空(煤)气的最大流量V 0和表6-1中对应的流速W 0，按（6-3）式计算：0354W V d 内mm （6-3）式中：V 0—最大空(煤)气流量（=L n 湿B 实），标m 3/h ； W 0—经济流速，标m/s （见表6-1）。

根据d 内，再按表6-2中列出的管道系列，查找对应的管道规格（φ³δmm ），作为空(煤)气管径的最后确定值。

表6-2 空（煤）气管道规格6869表6-3 拱顶角为60°烟道断面系列 表6-4 拱顶角为180°烟道断面系列（2）烟道尺寸的确定方法根据炉子相应燃料燃烧计算出的实际单位燃料烟气生成量V n 和炉子热平衡计算出的燃料最大值消耗量B 实，算出烟气总生成量V n B 实（标m 3/s ），再按表6-1中对应烟道的烟气流速W 0（标m/s ），算出烟气的流通面积F 烟。

F 烟道=V n B 实/(3600W 0) m 2 （6-4） 根据F 烟道，再按表6-3或表6-4中列出的烟道系列，确定相应的烟道断面尺寸（高H 、宽W 和当量直径d D ）。

6.2.3计算段中的气流平均温度的确定在计算气体流动阻力时，气体的密度对其影响较大。

对于低压气体，影响其密度的因素主要是温度。

气体流动时，由于管壁的散热以及被吸入的冷空气等原因，气体温度降低。

所以在计算各段阻力损失时，气体的温度按该段的平均温度计算。

（1）无冷空气渗入℃段均2Lt t t ⋅∆-=λ （6-5）式中：λt —流入该段时的气体温度，℃；Δt —每米长管道（或烟道）中的气体温降，℃，见表（6-5）； L —该段计算长度，m 。

70 表6-5 散热引起的温降（2）有冷空气渗入这种情况主要是针对烟道而言，其平均温度为：℃渗渗废废渗渗渗废废废段均2L t C V C V t C V t C V t ⋅∆-''+'''+'= （6-6）式中：V 废—进入该段的废气流量，标m/h ；t 废—进入该段时的废气温度，℃；C'废—进入该段的废气在t 废下的比热，kJ/(m 3²℃)，见表1-5； C"废—进入该段的废气在t 段均下的比热，kJ/(m 3²℃)，见表1-5； V 渗—渗入该段烟道中的气体流量，标m 3/h ； t 渗—渗入该段时的渗入气体温度，℃；C'渗—渗入该段的气体(空气)在t 渗下的比热，kJ/(m 3²℃)，见表1-5； C"渗—渗入该段的气体(空气)在t 段均下的比热，kJ/(m 3²℃)，见表1-5； Δt —每米烟道中气体温降，℃，见表6-5； L —该段的计算长度，m 。

6.3 气体流动阻力损失计算6.3.1摩擦阻力损失气体在直管段中流动时产生的机械能损失，称做沿程阻力损失。

它是因气体与管壁摩擦而造成的能量损失，所以也叫做摩擦阻力损失，用h 摩表示。

计算公式为：Pa t W d L h D )1(2020段均摩⋅+=βρλ （6-7）式中：λ—摩擦阻力系数，见表6-6；L —计算直管段的长度，m ；d D —管道内径或烟道当量直径，m ；W 0—标准状态下气体的平均流速，标m/s ； ρ0—标准状态下气体的密度，kg/标m 3； β—气体的体积膨胀系数，β=1/273； t 段均—气体在该段的平均温度，℃。

表6-6 各种管道中气体流动摩擦阻力系数λ716.3.2局部阻力损失由于气体流动通道断面显著变化或改变流动方向而引起的阻力损失，称做局部阻力损失，用h 局表示。

计算公式为：)1(2020均局t W h βρζ+= Pa （6-8）式中：ζ—局部阻力系数，查表6-7（见本章最后）； t 均—产生局部阻力损失时的气体平均温度，℃。

6.3.3几何压头与通道外侧大气密度相同的冷气体（如冷空气），在垂直流动时不产生几何压头的变化。

热气体（如烟气、预热空气和煤气）或与通道外侧大气密度不同的冷气体在垂直流动时就要产生几何压头的变化。

这是由于热气体有上浮力的作用。

几何压头的计算公式为：)]1([0均几t Hg h D βρρ+-±= Pa （6-9） 式中：H —热气体垂直流动的距离，m ； g —重力加速度，9.81m/s 2；ρD —通道外侧大气的实际密度（按当地大气最高温度计算，见表5-2），kg/m 3； ρ0—标准状态下流动气体的密度，kg/标m 3； t 均—流动气体平均温度，℃；±—表示几何压头的方向，热气体或密度小于大气密度的冷气体垂直向下流动时为“+”，反之为“-”。

6.3.4气体横向流过管束时的阻力损失计算气体横向流过管束时的阻力损失与管束排数、排列方式、雷诺数等有关。

（1）气体横向流过直(顺)排管束（见图5-3(a)）阻力损失）均直t W h 1(2020βρφζ+= Pa （6-12） 式中：ζ—气体横向流过管束阻力系数，见式（6-13）；t 均—气体在管束中流动时的平均温度，t 均=(t 入+t 出)/2，℃； φ—直排管束阻力修正系数，见表6-8。

βαζ+=21x x n （6-13）式中：n —沿气流方向的管子排数；x 1—迎着气流方向相邻管子中心距，m ； x 2—沿着气流方向相邻管子中心距，m ； βα、—系数。

211)(028.0外d x x -=α （6-14）211)1(--=外d x x β （6-15）式中：d 外—管子外径，m ；表6-8气体流经直排和错排管束时阻力损失修正系数72 （2）气体横向流过错排管束（见图5-3(b)）阻力损失）均错t W h 1(2020βρϕζ+= Pa （6-16） 式中：ϕ—错排管束阻力修正系数，见表6-8。

6.4 空(煤)气管道阻力损失计算及鼓风机选择6.4.1空气管道阻力损失计算及鼓风机选择（1）管道直径的确定按式（6-3）计算后，查表6-2确定。

（2）计算步骤① 绘制管路系统（从鼓风机出口到烧嘴前）简图，可以用单线图表示。

并要标明分岔、拐弯的形状和角度以及各部分尺寸（长度、管径）。

② 分段。

按6.1.2中所述分段原则，将管路系统分成若干计算段。

③ 每段中气体平均温度的确定，见6.2.3节。

④ 阻力计算。

各计算段分别计算（包括沿程阻力、局部阻力、几何压头等）。

管路系统总阻力损失为各段阻力损失之和。

对于并联的分岔管路，管路阻力应按损失最大的一个流路进行计算，并力求各分岔段阻力大致相等。

（3）计算方法为方便计算，减少差错，工程设计中通常采用表格计算法。

计算表格形式见表6-9。

（4）鼓风机选择选择鼓风机主要是确定鼓风机的额定压力和额定流量。

1）额定压力的确定 鼓风机的额定压力：P ≥∑(空气管路系统压力损失+流量检测元件和调节阀门压力损失+烧嘴额定供风压力)（6-17）式中：① 空气管路系统压力损失，按表6-9计算。

② 流量检测元件和调节阀门压力损失，由自动化部分的设计计算确定。

若尚未确定，可做如下估算：流量孔板压力损失取800~1000Pa ，阿牛巴流量计压力损失取150~200Pa ；调节阀门（一般为蝶阀）压力损失取500~700Pa ，高压煤气管路上的自动调节蝶阀压力损失宜取1.0~1.5kPa ，以保证必要的调节性能。

③ 烧嘴额定供风压力，由烧嘴型号、燃烧能力所需的额定压力确定。

2）额定流量的确定 鼓风机的额定流量：)1(环实湿空t B L V n β+≥ （6-18） 式中：B 实—炉子最大燃料消耗量，标m 3(kg )/h ，见式（4-23）或式（4-41）；L n 湿—燃烧单位燃料实际湿空气需要量，标m 3/标m 3(kg )，见式（1-11）或式（1-17）； t 环—鼓风机安装处环境最高温度，℃。