1.2 窑炉系统内的气体流动
1.1 气体力学基础
原料进料F
精 馏 塔
塔底产品W
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②稳定流动系统的能量守恒
对于稳定流动系统，单位时间内输入系统的 能量应等于输出系统的能量，即能量守恒。
反证法：若输入系统的能量不等于输出系统的能 量，则在系统中指定的某一截面上、直接反映流 体能量状态的物理参数（如速度、温度、压强等） 就不可能均为常数，也即系统不是稳定系统。 能量衡算与物料衡算相类似，也需要规定衡 算基准和衡算范围。通常用单位时间为基准（如 J/s），也可用单位质量为基准（J/kg）。
（2）连续介质假设给分析问题带来的方便
①不考虑复杂的微观分子运动，只考虑在外力
作用下的宏观机械运动。 ②能运用数学分析的连续函数工具。
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1.6 稳定与不稳定的概念
（1）稳定流动系统与不稳定流动系统
系 统——研究的对象。 流动系统——系统中的流体处于流动状态 时称为流动系统。
i 1 i j 1
n
m
j
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1.7 可压缩气体与不可压缩气体
不可压缩气体——气体在流动过程中，气 体的密度不随压强的变化而变化，这样的 气体称为不可压缩气体。 可压缩气体——气体在流动过程中，气体 的密度随压强的变化而变化，这样的气体 称为可压缩气体。
（C）紊流：质点间相互碰撞相互混杂，运动轨迹错综复杂
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气体力学在窑炉中的应用
dV Vn dT 1 n
T
1 dv v dT
T
V n1 V n1 1 （1-3a） n 1 1 n TV 1 n 1 n T
TV n1
视为不可压缩气体：窑炉中的低压空气和烟气的压强近似等于外界大气压，流速远 低于当地音速，流动过程中的压强变化不超过 0.5%，虽然温度变化较大，但若分段处 理， 每段温度变化不大， 气体密度变化不超过 20％， 可简化计算过程， 结果亦符合要求。 可压缩气体：气体的流速在 100m/s 以上或压强和温度变化较大，如高压气体外射 流动等。 初始状态 p0、T0、V0、ρ0 平均流速 ω0 终了状态 p、T、V、ρ 平均流速 ω
V0Tt
T0
t
＝1000×（273＋250）/273＝1916 m3
t 0T0 T ＝1.293×273/（273＋250）＝0.67 kg/m3
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随温度的变化。 （二）气体的膨胀性和压缩性 体积膨胀系数
μ0×10 （Pa·s）
1.72 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.48 ~1.47
6
C 122 118 138 239.7 118 71.7 198 225.9 377 416 673 ~150 ~186 －21~302 15~100 －21~302 17~100 －21~302 15~184 18~100 － － －
（1-2）
1
【例 1】将 1000m3，0℃空气送入加热器中加热，标况下空气密度为 1.293kg/m3，求加 热至 250℃时气体的体积和密度。 解：
第二章 气体流动
第二章气体流动硅酸盐工业窑炉绝大部分是以燃料燃烧提供热能。
高温的气态燃烧产物（载热体）放出热量用以熔融、煅烧物料或加热制品。
余热的回收利用和烟气的排出等，都离不开气体流动。
本章主要介绍窑炉系统内气体运动的基本规律。
气体流动的基本理论是研究窑炉内热量传递、质量传递、燃料燃烧过程的基础。
窑炉内压力、温度的分布，以及热交换条件等，都与窑内气体流动状况有着密切的关系。
因此，了解和掌握气体流动的基本规律，正确处理和解决气体的输送和排出、火焰组织以及传热条件等热工问题，对于窑炉的操作、设计和计算都是非常重要的。
第一节气体流动的基本原理气体流动遵循流体力学的原理，但是气体特别是热气体自身具有的特殊性，使其流动规律又有相应的特点。
因此，为了正确讨论和准确运用气体流动的基本原理，首先应该熟悉气体的属性。
一、气体的物理属性影响流动规律的气体属性主要是力学和热学性质。
（一）膨胀性与压缩性对于理想气体，其温度、压强和体积之间的关系服从理想气体状态方程：pV=nRT或P=ρ.R/M .TPv= R/M T式中：p-----气体的绝对压强，N/mz或Pa;V-----气体的体积，m3；n-----气体的摩尔数，kmol;R-----气体常数，8314J/(kmol.K)；T-----气体的热力学温度，K；P-----气体的密度，kg/m3；M-----气体的分子量，kg/kmol;v-----气体的比容，m3/kg。
窑炉系统的气体主要是空气和烟气，由于压强不太大，温度不太低，可以近似当作理想气体处理。
在等温条件下，T =常数，状态方程可以简化为：pv =常数或p/ρ=常数可知，随着气体压强的增加，气体体积缩小，密度增大，表现为气体的压缩性。
在大多数工业窑炉内，气体压强变化不大，不会引起体积和密度的显著变化，所以仍可视为不可压缩流体来处理。
但是，对于压强差较大，流速较高，温度和密度都有显著变化的气体流动，压缩性就不能忽略，如喷射器、高压烧嘴内的气体流动，密度不是常数，属于可压缩气体流动。
4 窑炉内气体的运动
又基准面取在II－II截面上
hg 2 0
hs1 hg1 hs 2 hw12
当热气体从上往下运动时，动压头转变为压头损失，部分
静压头转变为动压头，使动压头保持不变。同时部分静压
头又转变为几何压头，最后使I－I面静压头减少。
图1-55 各压头间的相互转换
1.5.2 气体通过小孔的流出和吸入
1 0.82 1 1 1 0.98 1
0.82 1 0.9 0.71 0.97 0.96 0.98
0.82 0.82 0.9 0.71 0.97 0.945 0.98
1.5.3 炉门气体的流出和吸入
炉门与小孔区别为：沿炉门高度静压头的变化不可忽略
B
设炉门高为H，宽为B 在炉门中心线上取一微元体dz 则微元体面积为：dA = B dz， 设炉门中心线距离零压面高度为z 炉门下边缘距零压面高度为z1
hs1,a hs 2,a hg 2,a hw,a12
hs1,b hs 2,b hg 2,b hw,b12
a、b两通道温度均匀分布的必要条件是
hs1,a hs 2,a hs1,b hs 2,b 即 hg 2,a hw,a12 hg 2,b hw,b12
1.5.4 分散垂直分流法则
假定气体在垂直通道中自上而下
流动，至截面1后分成两股气流，
分别在a、b通道中流动，到达通 道截面2后又汇合成一股气流流出 通道，如右图所示。
1
1
a 2
b 2
选1-1为基准面，在1-1和2-2两截面 间对a、b通道分别列伯努利方程。
当热气体由上向下流动时
1-1和2-2两截面间对a、b通道的柏努利方程式分别为：
hs1,a hg1,a hk1,a hs 2,a hg 2,a hk 2,a hw,a12 hs1,b hg1,b hk1,b hs 2,b hg 2,b hk 2,b hw,b12
1.2_窑炉系统内的气体流动
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材 料 热 工 基 础 | 窑 炉 系 统 内 的 气 体 流 动
2.2.1 压强变化规律
流动过程中：ps>p1>p2=pa 可看成是绝热可逆（等熵）过程，其状 态方程（理想气体多变方程）：
用牛顿二项式展开后得： Z 2 Z1
2
3
3
2
3 H Z 2
（近似计算）
∴
V溢 F
2Z g ( a )
[结论]：炉门越宽、越高，漏气量越大。 吸入问题以此类推。
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9
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1.3 分散垂直气流法则
a
R
p
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若介质为空气， =1.4，R=287（J/kg· K） 则空气中的音速为：
a 1.4 287T 20.04 T
t/℃ -20 0 +20 a (空气中音速)/(m/s) 319 331 343
∵ ∴ 等截面，hk1 = hk2 - hs= h ge + h L.1-2
1 1
又∵ A、B两通道是并联的 ∴ A、B两通道静压差相等 即: - h sA = - h sB
A
2
B
2
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a，为亚音速流动 a，为跨音速流动 a，为超音速流动
《热工基础与设备》第01章-窑炉气体力学-120页PPT资料
05.01.2020
14
流体的基本性质和力学模型
§1.2 流体流动特征量
温度 （ ℃ ，K）
压力 （Pa ，N/m2 )
绝对压强P 相对压强Ps
PPa 0 正压 PPa 0 负压 PPa 0 零压
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流体的基本性质和力学模型
流速与流量
m/s,Nm /s
f
uF
d
dy
f F
分析： 阻力 耗能
d dy
阻力 耗能
d dy
** 温度对流体粘度的影响
理想流体和实际流体
u
d
dy
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粘性流体所产生的内摩擦力由牛顿粘性定律确定: τ=μdω/dy （N/m2）
式中 dω/dy：速度梯度，1/s； τ：剪切(应)力，N/m2； μ：粘度，也称动力粘度系数，N·s/m2即 Pa·s。
9
在已往的液体计算中，极少考虑大气的浮力， 而在窑炉中所存在的热气体进行计算时，务必 要考虑气体所受的浮力。
例如：在20ºC大气中对于1m3密度为 0.5kg/m3的热气体自重仅为 4.9N ，浮力则 为 11.8N ，故不能忽略。
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流体的基本性质和力学模型
流体的粘滞性及内摩擦定律（牛顿定律）
μ0和C值见表1.1。
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表1.1 各种气体的μ0和C值
气体
空气
N2 O2 CO2 CO
H2 CH4 C2H4 NH3 SO2 H2O 发生炉煤气 燃烧产物
μ0×107 （Pa·s）
1.71 1.66 1.87 1.37 1.66 0.84 1.20 0.96 0.96 1.17 0.82 ~1.45 ~1.47
材料工程技术专业《回转窑内的气体流动》
回转窑内的气体流动气体在回转窑内流动时，伴随有燃料的燃烧、物料的煅烧，气体的温度、组成随时都在变化。
因此气体的流动是相当复杂的，特别是燃烧带内的气体流动更为复杂。
回转窑燃烧带内的气体流动，可以近似视为射流流动。
根据流体力学得知，该射流是指流体由喷煤嘴喷射到较大空间并带动周围介质二次风流动形成流股火焰的流动，流体喷入到有限空间燃烧带空间，显然回转窑内火焰的射流应属于限制射流。
绝大多数的射流都属紊流流动，在射流内气体质点有不规那么的脉动，气体由喷嘴喷出后，由于紊流质点的脉动扩散和分子的粘性扩散作用，使得喷出的一次空气质点和周围的二次空气质点发生碰撞，进行动量交换，把自己的一局部动量传递给相邻的气体，并带其他质点向前流动。
又由于回转窑是一个直径有限的圆筒，当前面的气体被推向前进时。
后面的气体变得稀薄而压力下降，即在喷煤嘴处造成一定的负压〔抽力，使二次空气连续不断吸收进流股内，与一次空气混合，并逐渐向中心扩散，射流断面逐渐扩大，气体量逐渐增多。
燃烧带火焰长度，主要决定燃烧带气体流速，为了保持适当的火焰长度。
燃烧带气体流速可按下式进行计算：02,1000.7853600b net ar AmqW D Q =⨯ 〔6-43〕，式中0W ——燃烧带气体流速，m 3/m 2·s ；A ——1g 燃料燃烧生成的气体量，m 3/g ；q ——熟料的单位热耗，g/g-c ；b D ——燃烧带内径，m ；,net ar Q ——燃料的应用基低位热值，J/g ；m ——回转窑的小时产量，t/h 。
除燃烧带以外气体在窑内的流动，近似于气体在管道内的流动，一般流动状态属于湍流范围。
沿窑截面气流速度分布比拟均匀，但在窑头及窑尾处，气流速度分布受窑头、窑尾及烟室形状和密闭情况的影响。
这些地方往往由于通风截面的变化和方向的改变而形成涡流，导致流体局部阻力增大。
如果结构形式不当，那么会影响窑内通风，使高温火焰不顺畅，影响窑的正常操作及热工性能。
气体力学及其在窑炉中的应用
山东理工大学教案注：教师讲稿附后第一章 气体力学及其在窑炉中的应用气体力学是从宏观角度研究气体平衡及其流动规律的一门科学。
硅酸盐窑炉中的气体有多执而主要的是烟气和空气。
它们起着载热体、反应剂、雾化剂等的作用。
纵观整个窑炉工作过程，从燃料的气化、雾化、燃烧加热制品，余热回收直到烟气排出，自始至终都离不开气体流动。
本章研究的中心问题就是气体流动。
气体流动与窑炉的操作和设计有密切关系。
如气流的流动形态、速度和方向对热交换 过程有影响， 气流的混合对燃料燃烧过程有影响， 气流的分布对炉温、炉压的控制有影 响，气流的压强和流动阻力对排烟系统和装置构设计有影响等等。
窑炉中的气体流动过程常伴随有燃烧、传热、传质以及某些化学反应。
它们对气体流 动有一定的影响。
本章的叙述暂不考虑这种影响，只讨论气体流动本身的规律。
本章应掌握重点内容：1、 流体力学的基本概念（理想气体、滞止状态、临界状态、马赫数、音速等等）2、 流体稳定流动时的计算（连续性方程、能量方程、动量方程）3、 牛顿内摩擦定律，雷诺准数4、 阻力计算5、 渐缩管、拉法尔管的流动特性6、 烟道与喷射器的计算与设计第一节 气体力学基础气体力学是流体力学的一个分支，流体力学的一些基本定理同样适用于气体力学。
在流体力学中讨论液体居多，而在硅酸盐窑炉内流动的主要是热气体。
它的某些性质与液体不同，甚至与常温气体亦有别。
所队在研究气体力学之机必须先熟悉气体的性质。
本节从最简单的理想气体入手，虽然真正意义的理想气体并不存在，但对理想气体的研究对解决实际问题有着重要的指导意义。
一、气体的物理属性气体的物理属性对其流动规律有很大影响，主要了解它的力学和热学性质。
(一)理想气体状态方程PV=mRT 或 P=ρRT式中 P ——气体的绝对压强，N ／m 3或Pa ； V ——气体体积，m 3；P ——气体的密度，kg ／m 3; T ——气体的绝对温度，K ；R ——气体常数，J ／kg ·K,注意：此处R 气体常数，R=8314.3/M,（M 为气体分子量），8314.3称为通用气体常数。
3-2 窑内系统内的气体
f1＞＞f2，W1＜＜W2， hk1≈0 又∵P2=Pa, 则hs2=0 ,则上式简化为：
hs1= hk2+∑hL
W W W 1 即 P1-Pa= 2 2 2
2 2
2 2
2 2
W 2= 1 则W2=
1
2P Pa 1
令
1 1
2P Pa 1
B dz
Z2
由于窑底处（Z=0）为零压，则窑底与高度Z之 间的热气体伯努利方程式为：hge0=hsz
H
Z
图3-8 Z1
Zg( a ) PZ Pa
dV z Bdz 2Zg a
z B
2 g a
Z dz
1 2
V
Z2
Z1
2 2 3 2 g a 3 2 Z 2 Z13 m / s dV B 3
如图3-9，热气体由上而下流动，分成两股气 流a、b，设a、b等截面，至Ⅱ截面后又合成一股。 1、热气体由上而下流动时 Ⅰ-Ⅱ间的伯努利方程式：a通道： hge1a+hs1a+hk1a =hge2a+hs2a+hk2a+∑hLa
若以Ⅰ截面为基准，由 hge1a=0, W1=W2, hk1a=hk2a 则上式变为： hs1a=hge2a+hs2a+∑hLa 即hs1a- hs2a= hge2a+∑hLa 同理b通道：hs1b- hs2b= hge2b+∑hLb
f2 f
图3-7
气体通过小孔流出
取窑内W1 、P1 、1 、f1 ，最小截面处W2 、 P2、 2、f2,由于内外压差较小，可认为 1 2 此时 伯氏方程为： hge1+hs1+hk1=hge2+hs2+hk2+∑hL
窑炉内气体流动
P1
窑
1 F1
1
内
F Z1
w2
P2
2
ห้องสมุดไป่ตู้ F2
F2 2
窑 外
基准面
零压面
1-1截面（上游）取在窑内 2-2截面（下游）取在喉部 缩流系数：=F2/F
（2）分散垂直气流法则
水平方向温差：
t = t 1- t 2 加热时，气流向下流，
t
冷却时，气流向上流，
t2
t
t1
结论：
（1）烟气(热气体)加热制品时，热气体从上 向下走叫“倒焰”（此时几何压头为阻力）， 水平温差小；
（2）空气冷却制品时，冷气体从下向上升叫 “升焰”（此时几何压头为推动力），水平温 差小。
分散垂直气流法则的使用条件（适用条件）： 应用于几何压头起主要作用的通道，如传
统的倒焰窑、蓄热室等。
分散垂直气流法则不适用于： （1）阻力很大的窑； （2）流动速度很大或者说压差大的窑。
2.1.2.2 可压缩气体的流动
中心速度 wc 动能 (1/2)mw2
自由射流特点：
(1) 近似一维流动； (2) 等压过程； (3) 动量守恒（mw=const）； (4) 质量流量增大（Qm）； (5) 动能减小； (6) 各截面上速度分布相似。(见下页)
经验公式： w/wc=[1-(r/Rx)3/2]2 ——相对速度是相对位置的函数
即当温度波动大时，取等温段分段考虑。
（1）气体通过炉墙小孔及炉门的溢出 和吸入（见下页图） a．当气体从炉内的较大空间经过炉墙 上的小孔向外溢出时，气体的静压头转 变为动压头，其压强增加。由于惯性的 作用，气体流股会发生收缩，这种现象 称为缩流。 B．气体通过炉门溢出和吸入的原理与 小孔相似。
1.2窑炉系统中的气体流动
dF d d 0 F
dF (Ma2 1) d
F
1 dF (Ma2 1) 1 d
F dx
dx
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d Ma2 d
17
1 dF (Ma2 1) 1 d
F dx
dx
结论： 1、
Ma<1
dF/dx<0, dω/dx>0 dF/dx>0, dω/dx<0
a
dp
d
dp
d
s
a RT P
对于空气：
a RT 1.4287T 20.04 T
音速越大说明气体的可压缩程度越小
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10
马赫数
相对音速：
a' a a1 a1 Ma
a
Ma
a
a' Ma<<1，为不可压缩流动， a Ma<1 , 为亚音速流动， a' 0 Ma≈1，为跨音速流动， a' 0 Ma>1, 为超音速流动， a' 0
2、 Ma>1 dF/dx>0, dω/dx>0 dF/dx<0, dω/dx<0
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2）：气体参数及喷嘴面积与马赫数的关系
P
1
1
Ma
2
1
Ps 2
T
1
1
Ma2
1
Ts 2
1
1 Ma2
1
沈阳理工大学-大创版-热工过程及设备课程教学大纲-张路宁
《热工过程及设备》课程教学大纲课程代码：005063019课程英文名称：Inorganic material thermal engineering foundation课程总学时：48 讲课：48 实验：0 上机：0适用专业：无机非金属材料工程专业大纲编写（修订）时间：2012.7一、大纲使用说明本大纲根据无机非金属材料工程专业2012教学计划制订。
（一）课程的地位及教学目标热工过程及设备课程是无机非金属材料工程专业学生的必修专业课，是在学生们学习了高等数学、机械设计基础、无机材料科学基础、陶瓷导论等相关课程后开设的一门涉及窑炉热工过程及设备的基础理论、基本原理和基本构造方面知识，并具有较强实践性的专业主干课程。
本课程的教学目标是：使学生获得硅酸盐工业窑炉热工过程的基本理论，了解掌握热工设备构造及设计的基本原理，培养学生分析解决窑炉内热工问题的能力，为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求：掌握气体动力学基本方程式，能过熟练运用伯努利方程计算窑炉系统内气体流动问题。
掌握烟囱的热工计算方法，了解喷射器工作的基本原理；掌握导热、对流换热、辐射换热的基本概念及定律，熟练掌握稳定态下炉墙散热的计算方法。
了解掌握自然对流、强制对流的计算方法，了解窑炉火焰空间内的传热过程、基本规律及计算方法；掌握分子扩散的基本概念，熟悉斐克定律推导过程，掌握单向扩散、摩尔逆向扩散的规律及计算方法；掌握工业窑炉常用燃料的种类、化学组成、成分换算方法及热工性能，掌握燃料燃烧的计算方法，了解燃烧过程的基本理论，掌握气体、液体燃料的燃烧过程，了解气体、液体燃料燃烧设备的结构及工作原理；掌握发生炉煤气的种类、性质、用途，了解发生炉内的气化过程，掌握各项气化指标，了解煤品质对气化过程的影响，了解主要的气化设备；掌握湿空气的性质，能够熟练运用湿空气的I-x图求解实际问题。
硅酸盐工业热工基础第一章分析
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
窑底与z间的伯努利方程为： Fra bibliotekgz hsz
dV z Bdz z B 2 zg ( a )
2 g( a )
z dz
1 2
热工过程与设备
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
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
热工过程与设备
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（P13）。
***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
则：w 2
2( P 1P a)
热工过程与设备
第一章
通过小孔F截面流出的气体体积流 量V为：
不可压缩气体流动气体在窑炉内的水平流动`垂直流动`从孔口和
第二节 窑炉系统内的气体流动不可压缩气体流动：气体在窑炉内的水平流动、垂直流动、从孔口和炉门的流出和吸入等。
可压缩气体流动：高、中压煤气烧嘴，燃油雾化喷嘴，袋式收尘器中的反吹喷嘴以及煤气管道、油管道的吹扫喷嘴等。
气体射流：喷射到窑内的可燃气体、烟囱冒出的烟气等。
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、管嘴的流出和吸入当气体由一个较大空间突然经过一个较小孔口向外逸出，气体压强降低、速度增加，气流发生收缩，称为缩流。
气流最小截面积F 2与小孔截面F 的比值为缩流系数ε：2F Fε=I-I 截面取在窑内；II-II 截面为气流收缩最小截面处，厚壁在壁内、薄壁在壁外。
气体可近似等温流动，气体通过小孔时的压差很小12ρρ=，在I-II 截面列方程：111222s ge k s ge k l h h h h h h h ++=+++∑因121212,ge ge z z h h ρρ==⇒=；因11212k F F w w h ⇒⇒可忽略；因220a s p p h =⇒=：伯努利方程可简化为： 12s k l h h h =+∑即 22221222a w w p p w ρξρ-=+⇒=令ϕ=（1-41）式中：ξ——局部阻力系数；ϕ——速度系数，与气体流出时的阻力有关；1p ——I 截面上的压强，Pa ；a p ——外界的气压，Pa.通过小孔F 截面流出的气体体积流量V 为：222V F w F F εμ==== （1-42）式中： μ——流量系数，μεϕ=。
缩流系数ε、速度系数ϕ、流量系数μ值均由实验确定，可从P 13表1-3查得：表1-3 气体通过孔嘴时的系数孔 嘴 类 型εφμ薄壁孔口 （圆形或正方形） 0.64 0.97 0.62 厚壁孔口 （圆形或正方形）1 0.82 0.82 棱角圆柱形外管嘴 0.82 1 0.82 圆角圆柱形外管嘴 1 0.9 0.9 棱角圆柱形内管嘴 1 0.71 0.71 流线圆柱形管嘴 1 0.97 0.97 圆锥形收缩管嘴（α= 13o ） 0.98 0.96 0.945 圆锥形扩散管嘴（α= 8o ）10.980.98构成厚壁的条件： 3.5e d δ≥ （1-43） 式中：δ——壁的厚度，m ； e d ——孔口的当量直径，m 。
热工基础复件 第一章
出口断面F2的稳定态管流 在1-1截面,气体质量流量 m1=F1ω1ρ1 在2-2截面,气体质量流量 m2=F2ω2ρ2
1.1.2 气体动力学基本方程式
稳定流动时，单位时间内通过Ⅰ截面和Ⅱ截
面的质量流量相等 F1ω1ρ1=F2ω2ρ2 若气体为不可压缩气体ρ1=ρ2 ∴F1ω1=F2ω2=V=常数 m3/S
单位J/m3
hL = (hf+hf)—压头损失(阻力损失)
1.1.2 气体动力学基本方程式
压头损失是能量消耗,减少能量损失也就是减
少动力消耗.一般局部阻力损失大于摩擦阻力 损失,所以减少阻力损失应从减少局部阻力损 失着手.途径“圆、平、直、缓、少” 压头损失的应用：确定送风、排烟设备；判 断窑炉的工作情况
1．1气体力学基础
1.1.1气体的物理属性 1. 理想气体状态方程:PV=mRT或P=ρRT 式中 R=8314.3/M(J/kmol· k) 2. 气体的膨胀性和压缩性：当P一定，T↑，V↑∴窑 内气体具有膨胀性；当T一定,P↑, V↓∴窑内气体具 有压缩性。 窑炉系统中，气体在流动过程中压强变化≯5％， 虽然整个系统的温度变化较大，但若分段处理， 每一段的温度变化也不大，以致于气体的密度变 化不大（ ≯20%），故窑内气体可看成不可压缩 气体 不可压缩气体的特点：ρ=const
1.烟囱的工作原理:是由于烟囱内的热烟气受
到大气浮力的作用, 使之由下而上自然 流动,在烟囱底部形 成负压,而使窑内烟 气源源不断地流入 烟囱底部
第三节 烟囱和喷射器
列1-1截面和2-2截面的二流体柏式方程
表示单位体积的烟气在窑炉系统中的总能量损失或 称总阻力,包括摩擦阻力、局部阻力、气体动压头 及几何压头增量
第一章 气体力学在窑炉中的应用
p1
2
适用条件： （单位重量流体,m） a) 不可压缩流体； b)质量力仅有重力； c)恒定流动 注意问题： 基准面的选择一定在下方
1
若用单位体积来表示 则：z1r p1
w12
2
z 2 r p2
2 w2
2
hl1 2 ( Pa) （气体常用）
二气流的柏努利方程: 指热气体在冷气 体的浮力作用下的热运 动方程
基准面
A
V
H
γ
γ a
3）动压头
hk
w2
2
物理意义：单位体积的热气体所具有的动能。
注意：
几何压头仍具有相对的意义，只不过将外界空气的速度视为零 而已。
4）压头损失：
h
l (12)
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。
h
l (1 2 )
或
P / RT
(常用）
讨论： P / RT
1)T=C时，等温过程，既p/ρ=C， 表明压强与密度成正比则p↑， ρ ↑ ，说明气体具有压 缩性。 但在压力 p变化较小时，气体的密度变化也很小，可以 认为是不可压缩气体。 一般地： 将压强变化小于 10%的气体均看作是不可压缩气体。 在建材行业中： 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。
P P 0 1 0T0 1T 1
4).若气体在管内流动，则
m1 , F 1, w 1 1
m2 , F2 , w2 , 2
m1 m2
即
1F1w1 2 F2 w2
P P 1 2 由 1T 1 2T2
将其代入（1）则： P
伯努利方程——精选推荐
2．两气体伯努利方程式的推导
2 1 0
P2 , w2
热 气 体
P1 ,w1
z2
冷 气
体
Pa1
z1
基准面
• 前提：系统内热气体作稳定而连续的流动，外界冷空气认为是静止的。
•
热气体：
P1
gZ1
w12 2
P2
gZ2
w22 2
+
hl (12)
• 冷空气： Pa1 a gZ1 Pa2 a gZ2
• 两式相减并整理，得两气体的伯努利方程式 ：
伯努利方程式的使用条件：
• ① 气体在窑炉系统稳定流动； • ② 气体只受重力的作用； • ③ 截面是渐变流截面； • ④ 气体在流动过程中温度不变。
• 方程的物理意义:
表示流动过程中能量的守恒关系。
注意区别： 流体力学中的柏努利方程式： 表示单一流动绝对能量的守恒； 两气体柏努利方程： 表示相对能量的守恒（热气体相对于冷气体）。
20℃，空气（标态）密度
ρa,0=1.293kg/m3， 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，窑顶以下空间静压头、 几何压头分布状况。
例题
【例1】 】如图所示，为—上水 泵图为了测定水泵功率，在吸水 管和出水管各装一个压力计， 测得进水管截面 I 处的压强 为—25.48 kPa，出水管截面 2 处的压强为 245 kPa。两测压点 1 和 2 的高差为 1m。d1=80mm， d2=68mm，W1=1.5m/3。试求水泵 功率，（不计压头损失）
⑶
hk
w2 2
动压头
• ※物理意义 ：表示单位体积气体流动时所 具有的动能；它与气体在截面上的平均流 速有关。
(完整版)无机材料热工基础习题库
无机材料热工基础”课程习题库第一章气体力学在窑炉中的应用思考题1. 窑炉系统气体流动有何特点？将伯努利方程应用于窑炉系统的气体应注意哪些条件?二气流伯努利方程有什么特点?2. 窑炉系统内的“窑压”大小与哪些因素有关?在生产实践中是如何调窑压的？窑压大小对生产过程由什么影响。
3. 在窑炉系统中气体垂直流动时的分流法则是什么?，此法则的适用条件是什么?4. 音速、马赫数Ma都是表示气体可压缩程度的参数，二者之间有何不同？5. 为什么亚音速气流无论在多长的收缩管道中流动都不能获得超音速气流?6. 在超音速流动中，速度随断面积增大而增大的物理实质是什么?7. 亚音速气流在缩—扩喷嘴中流动获得超音速的条件是什么?8. 烟囱的“抽力”与哪些因素有关?若烟气的温度相同、同一座烟囱的抽力是夏季大还是冬季大?9. 若烟气与环境气温都不变，烟囱的抽力是晴天大还是雨天大?为什么?10. 为什么同样规模的烟囱在沿海地区能正常工作而在内地高原地区却达不到原有的排烟能力?11. 家里燃气灶的结构如何？燃气灶的一次空气量吸入原理是什么？如何调节一次空气量的大小？作业题1. 热气体在一垂直的等直径管内自下而上流动，管内气体的平均温度为500C，管外空气温度为20C。
试求2—2截面上的静压并画出相应的压头转换图。
设1—1截面在上方，1 —1与2—2截面之间的距离为10m,压力损失为6Pa。
2. 某窑炉的窑墙厚为240mm,窑墙上下各有一个直径为200mm的小孔，两个孔间垂直距离为Im，窑内气体温度为1000r，烟气标态密度为1.32kg/Nm3,外界空气温度20 r，窑内零压面在两个小孔垂直距离的中间。
求通过上下两个小孔的漏气量。
3. 压缩空气从装有一管嘴的气罐中流入大气，气罐中的压力p1=7X105Pa,温度20E，求流出速度(Pa=1.05X105Pa,管嘴速度系数=0.9);(1) 管嘴为收缩管；(2) 管嘴为拉伐尔管。
4. 已知烟囱高度35m,上口直径1m，流速为2 Nm/m，烟囱下口直径为上口直径的两倍，烟囱内烟气平均温度为273r，烟气在烟囱内流动时摩擦阻力系数为0.05,烟囱外界温度20r,密度1.20kg/m3,求烟囱底部的负压。
1-2 窑炉系统内的气体流动
气体通过炉门流出和吸入量的
计算原理与孔口相似，只是炉
门直径较大，具有一定的高度， 在计算时要考虑炉门高度上的 几何压头变化对气体流出和吸 入量的影响。
14
A) 气体通过炉门的流出（炉内正压） 对于矩形炉门，设 炉门的宽度为B， 高度为H，在距窑 炉底（此处为零压） z处取一微小单位带， 高度为dz。 此微小单元带的面积dF为：
V F
2 gz 0( a )
3 z z H z0 2 F BH
3 2 2
3 2 1
19
3 2 2g( a ) 3 V B ( z22 z12 ) 3
B) 气体通过炉门的吸入(炉内负压)
2 V B 3
2 g ( a )
a
1.5 1.5 ( z1 z2 )
w1, a w2, a
hk1, a hk 2, a
Ⅱ
Ⅱ
hs1, a hg1, a hK1, a hl , a hs 2, a hg 2, a hK 2, a hs1, a hs 2, a hg 2, a hl , a
29
气流自上而下 气流自下而上 当 hga
dV zdF zBdz dV zB 2( pz pa)
基准面
2 1
2 zg ( a )
2g ( a )
z dz
17
1 2
单位时间内通过微 元面积dF 的流量
dV zB
2g ( a )
z dz
1 2
对于整个炉门的气体溢出量用积分可求：
3 2 2g( a ) 3 V B ( z22 z12 ) 3 3 3 2 9.811.205 0.192 2 0.6 0.5 (12 0.5 2 ) 1.31(m3 / s) 3 0.192
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A> B
Q VA < Q VB
B hgA < hg ，即A通道推动力
tA
14
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
结论:
（1）烟气加热制品时，热气体从上向下走叫“倒 焰”（此时几何压头为阻力），水平温差小； （2）空气冷却制品时，冷气体从下向上升叫“升 焰”（此时几何压头为推动力），水平温差小。 见下面图:
15
气体在倒焰窑中的流动
16
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
分散垂直气流法则的使用条件（适用条件）： 应用于几何压头起主要作用的通道，如传 统的倒焰窑、蓄热室等。 分散垂直气流法则不适用于： （1）阻力很大的窑； （2）流动速度很大或者说压差大的窑。
17
第
二 节
伯努利方程在窑炉系统中的应用
1
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
主要应用在两个方面：
1、窑炉系统气体一般处于微正压或微负压状态， 总是有一部分气体从窑体不严密处流出或流入，因气 体在这样的流动过程中密度变化不大，所以，这种流 动可认为是不可压缩气体的流动，因而流出或流入的 气体量可用二流体的伯努利方程式来计算。 2、窑炉系统中有时会碰到气体在垂直通道中流动， 自通道壁吸热而被加热，或把热量传给通道壁而被冷 却的流动，此时，如何使气流在通道内均匀分布可以 用分散垂直气流法则加以说明。
ge»
h
L.1-2时，温度是否分布均匀决定于：
？ B h ＝ hg
A g
13
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
假设扰动，使tA< tB 则：A>B
h <h
A g
B g
，即A通道阻力
Q VA > Q VB
tA 直至tA= tB
相反，若气体是自下而上流动（此时几何压头 是推动力），则当发生扰动，使tA< tB 时：
V吸＝ A 2( pa p1 )
a
6
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
推论：设零压面在下面，约定上游在窑内， 下游在窑外，进一步讨论距零压面以上高度x处 炉墙小孔的溢气情况： 则：由上下垂直方向的静力学方程（设基准面 在H高度处)： hg(零压面)= hs(x高度处) 即：
x1 x1 x2
2( a ) g
x dx
9
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
上式中的流量系数看作常数（整个炉门的平 均流量系数 ），则炉门溢气量：
3 2( a ) g 3 2 2 V溢＝ b ( x2 x1 2 ) （精确计算） 3
用牛顿二项式展开后得： x2 x1
t2 t1
t
为什么要这样流动呢?
11
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
分析：并联通道，设为等径(等截面)，热气体 列1-1至2-2截面的伯氏方程为：
hg1 hs1 hk1 hg 2 hs 2 hk 2 hL
∵ 等截面，hk1 = hk2 ∴ - h s = h g + h
2
3
3
2
3 h x 2
∴
V溢 A
2 x g ( a )
（近似计算）
[结论]：炉门越宽、越高，漏气量越大。
吸入问题以此类推。
10
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
二 分散垂直气流法则(如图)
水平方向温差：
t = t 1- t
t
2
加热时，气流向下流， 冷却时，气流向上流，
hg1 hs1 hk1 hg 2 hs 2 hk 2 hL
[分析]： (1) ∵是水平流动（H1=H2），且气体 通过小孔时压差很小（1=2） ∴ hge1 = hge2 (2) (3)
∵ A2 « A1 ν 1 « ν2，ν1 0 ∴ h k1 0 ∵ p2 = pa ∴ h s2 = 0
x( a - ) · g = px -pa
2( px pa ) 2 x( a a ) g
此推论可解决炉门问题!
7
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
2 气体通过炉门的溢出和吸入(如图)
b dx H 炉门中心线 x2 x x1 x0 零压面
L.1-2
1
1
又∵ A、B两通道是并联的 ∴ A、B两通道静压差相等： - h s A = - h s B
A
2
B
2
12
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
∴
A A B B hg hL h h L . g
即：A、B两通道流量（温度）分布相等的必 要条件是——二者的总阻力相等。 当h
V溢＝ A 2( p1 pa )
2( p1 pa )
5
第二节 伯努利方程天窑炉系统中的应用
缩流系数： =A2/A 其中： 速度系数：＝ 1 1 流量系数： = · 同理，当hs1<0时，1-1截面为负压，计算时取 绝对值，书写时以“吸入”区别于“溢出”，即 （此时是对冷空气列伯氏方程）： 吸气量：
4
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
因此上面伯式可改写成： hs1 = hk2 + hL, =(1+ξ) hk2 ∴
2
p1-pa=(1+ξ(1/2)v22
1 1 2( p1 pa )
2( p1 pa )
溢气量： V溢＝A2 2 A 2 A
2
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
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（如图）：
w1 p1 w2 p2
1-1取在窑内
窑 外 基准面
窑 内
1
F1
1
2
2
F2
2-2取在喉部 缩流系数： =F2/F
F
Z 1 2
F2
零压面
3
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
列1-1至2-2截面伯氏方程：
8
第二节 伯努利方程在窑炉系统中的应用
炉门宽b,,微元面积：dA= b· dx
通过微元面的溢气量:
dV溢 x dA 2 x( a ) g
2( a ) g ＝ x b x dx
x2
整个炉门的溢气量：
V溢＝ dV溢＝ x b