硅酸盐工业热工基础第一章

hg1,a 0 Ⅰ截面为基准面，则：
a通道等截面，则：hk 1,a hk 2,a
hs1,a hs 2,a hg 2,a hL,a 同理b通道：hs1,b hs 2,b hg 2,b hL,b
热工过程与设备
第一章
气流自下而上流动时，则：
Ⅰ
Ⅰ
hs1,a hs 2,a hg 2,a hL,a hs1,b hs 2,b hg 2,b hL,b
H CPT
P
2

2
P
1
w H C 2
热工过程与设备
第一章
（一）音速和马赫数 1、声波在气体中的传播速度-音速方程式
音速： 声波在弹性介质中的传播速度。（a，m/S） 音速 a
E

E nP nRT
a
nP

nRT
声音来源于物体振动， 该振动会引起介质压 强和密度的微弱变化， 这种微扰动在介质中 依次传播，就是声音 的传播过程。
热工过程与设备
第一章
考察 n
q / e
1 q / e
声音在气体中传 播属于可逆绝热 过程（等熵 ， q=0）
声波在气体 中传播时
引起温差变化很小 传播速度很大
n
即等熵时：
a
P
RT
热工过程与设备
第一章
1 1 R 287 J kg K 1 . 4 [如]空气， ， ，则声音在 空气中传播速度为
2

1.109988m /s 396m / h
3 3
再以0 - 0位基准面，列 0 2间二气体伯努利方程：
2 2 w0 w2 P2 gz2 ( a ) P0 gz0 ( a ) 2 2 w0 w2 0 , P0 0 , z0 0 , z2 0.5 m ,
w1 w0 0, P0 0, z0 0, z1 0.5m,
T0 273 0 1.32 0.2831kg / m 3 T 273 1000 T0 273 a a 0 1.29 1.2047kg / m 3 T 273 20
第一章
3 1 H 2 3 z z H z0 [ 1 ( ) ] H z0 2 96 z0 2
2 g( a ) 3 2 V B H z0 3 2
F
2 gz0 ( a )

F 炉门面积， m
2
z0 炉门中心线至零压面距 离，m
窑底与z间的伯努利方程为：
hgz hsz
dV z Bdz z B 2 zg ( a )

2 g( a )

z dz
1 2
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第一章
z2
V z B
z1
2 g( a )

z dz
1 2
把 z 近似看作常数 ，作为平均流量系数，则
F
Ⅰ
Ⅱ
热工过程与设备
第一章
流出气体在惯性 作用下，气流会 发生收缩，在Ⅱ 截面处形成最小 的截面F2，这种 现象称为缩流。
z
w1 ρ1 P1 F1
w 2 , ρ2 P2,F2
Ⅰ
Ⅱ
F
Ⅰ
Ⅱ
缩流系数： 小孔的位置 F2 F （气流最小截面与小孔截面的比值）
热工过程与设备
第一章
Question： 如何衡量流出气体 的快慢、多少 ？
热工过程与设备
第一章
2、气体通过炉门的流出和吸入
***沿炉门高度上的静压头的变化对气体流出和吸入量 有影响。 dF
炉门
H
B
z2
z0
z1
单位时间内通过微元面积dF的流量，为：
dV z dF
2( Pz Pa )

z B dz
2( Pz Pa )

热工过程与设备
第一章
上孔出气量： V F
2 gH ( a )

下孔进气量： V F
2 gH ( a )
a
出气：V 1.109988m 3 /s 396m 3 / h
进气：V 0.053318m /s
3
192m3 / h
热工过程与设备
第一章
（二）分散垂直气流法则
垂直分散气流 ： 一股气流在垂直通道中被分 割成多股平行小气流。
垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下 流动，冷气体自下而上流动。
问题：设a、b通道等截 面，则 为保证 a、b通 道内温度均匀，应具 备什么条件？
Ⅰ
Ⅰ
a
Ⅱ
b
Ⅱ
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第一章
气流自上而下流动时，则：
a通道伯努利方程:
hg1,a hs1,a hk 1,a hg 2,a hs 2,a hk 2,a hL,a
二、可压缩气体的流动
伯努利方程的适用气体： 不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动
可压缩气体怎样做能量的换算？
可压缩气体能量方程：
w w h1 h2 2 2
2 1
2 2
可压缩气体是否有伯努利方程？
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第一章
可压缩气体绝热流动的伯努利方程：
w C 1 2
z
w1 ρ1 P1 F1
w 2 , ρ2 P2,F2
Ⅰ
F
Ⅰ
Ⅰ截面（窑内）： w1、P1、1 Ⅱ截面（气流最小截面）： w 、P 、
2 2 2
气流通过小孔的压差极小： 1 2
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第一章
列Ⅰ-Ⅱ间伯努利方程，计算：
1 w2 1
2( P1 Pa )

1 令： 为速度系数 ，则 1
Ⅱ
Ⅱ
条件：欲使a、b通道温度均匀，需使
a、
b两端静压差相等，即：
hs1,a hs 2,a hs1,b hs 2,b
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第一章
所以
a、b通道温度分布均匀的条件是：
气体自上而下流动时：
hg 2,a hL,a hg 2,b hL,b
气体自下而上流动时：
hg 2,a hL,a hg 2,b hL,b
厚壁条件： 3.5d e
壁厚，m
d e 孔口当量直径， m
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第一章
P Pa
P
Pa
通过小孔F截面吸入的气体体积流量 V为：
V F
2( Pa P1 )
a
a 外界空气密度， kg / m 3
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第一章
Question：小孔为其它形状 ？
形状 大小
P1 gz1 ( a ) 9.8 0.5 (0.2831 1.2047) 4.5124 Pa
P1 4.5124 Pa 0,上孔出气
出气量：V F 2( P1 Pa )

2 4.5124 0.62 0.2 4 0.2831
P1 Pa gH ( a )
则：V F 2 gH ( a )

H 小孔距离窑底的高度
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第一章
***缩流系数 、速度系数 、流量系数 均应由实 验确定。也可查表。

***薄壁和厚壁的概念：
气流最小截面在孔口外——薄壁 气流最小截面在孔口内——厚壁
T0 273 0 1.32 0.2831kg / m 3 T 273 1000 T0 273 3 a a 0 1.29 1.2047kg / m T 273 20
P2 gz 2 ( a ) 9.8 0.5 (1.2047 0.2831) 4.5124 Pa 0 下孔进气
进气量：V F
2( Pa P2 )
a
2 4.5124 0.62 0.2 4 1.2047
2

0.053318m 3 /s 192m 3 / h
解法2
上部断面的几何压头小于下部断面的几何压 头，而静压头则相反。
即：上部断面的静压头 大于 下部断面的静压头。 本题：零压头在两小孔中间，所以上孔肯定为正压 （气体溢出），下孔为负压（吸入空气）。所以有：
通道内的几何压头和阻力损失相等。
热工过程与设备
第一章
分析两种情况：
hg hL
h
L,a
？
h
L ,b
hg hL
hg 2,a
？ h
g 2 ,b
a
？
b
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第一章
具体分析热气体情形： ①热气体自下而上流动时：
假若 t a t b
a b
t a t b
热工过程与设备
第一章
窑炉系统内的气体流动 不可压缩气体的流动
可压缩气体的流动
熟练 掌握 了解 了解及 自学
气体射流
热工过程与设备
第一章
一、不可压缩气体的流动 （一）气体从窑炉内的流出和吸入
1、气体通过小孔的流出和吸入
w1 ρ1 P1 F1
Ⅰ
w 2, ρ2 P2,F2
Ⅱ
静压头转变为动压头， 使压强降低、速度增加． z
【总结】
w2 2( P 1P a)
小孔
V F

2( P1 Pa )

炉门
2g (a ) 2 V B (z z ) 3
3 2 2 3 2 1
F
2 gz0 ( a )

☺
【试一试】
其它形状炉门情形如何计算?
例题
1-10 某窑炉的窑墙厚 为240mm,上下各有一 个直径为200mm 的小 1 孔，两孔间垂直距离为 1m,窑内气体温度为 1000℃，烟气标态密 度为1.32kg/m3，外界 0 空气温度为20 ℃ ，窑 内零压面在两个小孔垂 直距离的中间。求通过 2 上下两个小孔的漏气量。
课下自学 内容
垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，
冷气体自下而上流动。
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
热工过程与设备
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分散垂直气流法则适用条件
几何压头起主要作用的通道
热工过程与设备
第一章
1.2 窑炉系统内的气体流动 不可压缩气体的流动
可压缩气体的流动
熟练 掌握 了解 了解 自学
气体射流
则：w 2
2( P 1P a)

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第一章
通过小孔F截面流出的气体体积流 量V为：
V F2 w 2 F2 F
2( P1 Pa )

2( P1 Pa )

令： 为流量系数
则：V F 2( P1 Pa )

热工过程与设备
第一章
若窑底表压强为零，且 忽略沿窑高度动压头的 变化，则：
hg 2 ,a hg 2 ,b hg 2 ,a hg 2 ,b
Va Vb
则使：t a , t b
hg 2,a gz2 ( 空 气 a ) hg 2,b gz2 ( 空 气 b )
几何压头为推动力

热工过程与设备
第一章
②热气体自上而下流动时：
假若 t a tb
V z B 2 g( a )


z2
z1
z dz
3 2 2 3 2 1
1 2
2 g( a ) 2 B (z z ) 3
炉门平均流量系数
B 炉门宽度， m z1 , z2 炉门上下缘距离零压面 的距离，m
热工过程与设备
3 2 2 3 2 1
厚 240mm 1 0.5m 0 Φ 200m m 2
1m
（1）解：
0 0处为零压面， P0 - Pa 0Pa
又 240mm , d 200mm , 3.5d 700
3.5d , 为薄壁。查表： 0.62
以0 - 0位基准面，列 0 1间二气体伯努利方程： 2 2 w0 w1 P1 gz1 ( a ) P0 gz0 ( a ) 2 2
a b
ta tb
hg 2,a hg 2,b hg 2,a hg 2,b
Va Vb
则使：t a , t b
hg 2,a gz2 ( 空 气 a ) hg 2,b gz2 ( 空 气 b )
几何压头为阻力
☺1
①冷气体自下而上流动时：
②冷气体自上而下流动时：

—绝热指数 单原子气体， 1.66 双原子气体（包括空气）， 1.4 多原子气体（包括过热蒸汽） 1.33
2 2 w1 w2 P1 1 P2 2 1 2 1 2

P
2

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第一章
1 P U CV T 1
w U C 2