加熱爐第一講

1、 分析爐內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的工程意義 氣體運(yùn)動(dòng) 與加熱過 程有關(guān) 燃料爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是如 何導(dǎo)引爐氣運(yùn)動(dòng)來保證高 效地實(shí)現(xiàn)加熱 氣體運(yùn)動(dòng) 與爐溫均 勻性有關(guān) 如何引導(dǎo)爐氣對(duì)流是加熱 爐溫度均勻性的設(shè)計(jì)難題 活性爐氣均 勻性與其在 爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng) 有關(guān) 爐氣均勻性是氣氛爐設(shè) 計(jì)的重要指標(biāo) 氣體的運(yùn) 動(dòng)的動(dòng)力 是其具有 一定能量 氣體運(yùn)動(dòng) 是氣體能 量轉(zhuǎn)化的 結(jié)果 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 具有壓力的爐氣可以作功。壓力為Pg的 爐氣推動(dòng)面積為A活塞位 移dl，則它作功dW，即： 而單位體積爐氣所作的功為： 把單位體積爐氣具有做功的能量稱為爐體的靜壓能Es ，在數(shù)值 上，可表示為：Es=Pg 。 dVPAd

2、lPdW gg sg EP dV dW 從力的角度來看：Pg為爐氣具有的靜壓力，單位為Pa； 從能量的角度來看：Pg則是單位體積爐氣具有的靜壓能Es ，單位 為：J/m3 。因此，爐氣壓力是爐氣分子儲(chǔ)存能量的一種表現(xiàn)形式。 靜止?fàn)t氣的靜壓能 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 在重力作用下，質(zhì)量為M、距某一基準(zhǔn)面的高度為z的氣體所具有的勢 能為mgz。對(duì)于體積為dV的靜止?fàn)t氣，在距某基準(zhǔn)面的高度為z時(shí)所具 有的勢能為： 而單位體積的爐氣所具有的勢能為： 把單位體積的爐氣所具有的勢能稱為位能。它等于該爐氣的密度、重 力加速度g以及其距基準(zhǔn)面的高度z的乘積。 爐氣的位能產(chǎn)生的內(nèi)因?yàn)闅怏w的密度，外因是重力場。

3、 其大小與所處的位置有關(guān)，單位： J/m3。 靜止?fàn)t氣的位能 gzdVMgz gz dV gzdV E p 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 圖圖3-23-2 靜止?fàn)t氣的壓力分布 靜止?fàn)t氣的靜壓能與位能之和為定值，能量在空間內(nèi)是守恒的。 靜止?fàn)t氣的絕對(duì)壓力隨高度的增大而減少，其轉(zhuǎn)化為氣體的位。 靜止?fàn)t氣的壓力平衡（能量守恒） CgzP CEE ps 在為常數(shù)的靜止?fàn)t氣中，壓力 沿高度呈直線分布。 靜止?fàn)t氣中任一高度處的靜壓 能與位能之和為一常數(shù) 斜率為-1/g 密度越大，斜率越大 2211 gzPgzP gHPzzgPP 22121 )( 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 在相對(duì)零壓面以 上，爐氣的靜壓 頭為

4、正，越往上 其正值越大，從 爐壁開口會(huì)向外 溢氣。 靜止?fàn)t氣的靜壓 頭 單位體積爐氣與同一水平面上爐外單位 體積空氣靜壓能之差。 (a)(b) 圖圖3-33-3 (a) 靜止?fàn)t氣的壓力分布(b) 靜止?fàn)t氣的靜壓頭分布 gHPPEEh gaagsasgs 在零壓面以下， 爐氣的靜壓頭為 負(fù)，越往下負(fù)值 越大，從開口會(huì) 吸入冷空氣。 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 靜止?fàn)t氣的位壓頭沿 其高度呈直線分布， 由于ag，故越往下 位壓頭越大。 靜止?fàn)t氣的位壓頭 單位體積爐氣與同一水平面上爐外單位 體積空氣位壓能之差。 圖圖3-4 3-4 靜止?fàn)t氣的位壓頭分布 gzgzgzEEh gaagpapgp 在數(shù)值上與

5、單位面積 上熱爐氣氣柱在相應(yīng) 高度上冷空氣中所受 到的上浮力大小相當(dāng)。 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 靜止?fàn)t氣的總壓頭 圖圖3-5 3-5 靜止?fàn)t氣的壓頭分布示意 靜止?fàn)t氣在不同高度上，其靜壓頭和位壓頭之和為一定值， 二者可以相互轉(zhuǎn)化，靜壓頭大處，位壓頭必小，反之亦然， 但其總壓頭不變，即壓頭守恒。 222111 gzPPgzPP agagagag 2211psps hhhh 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 爐膛的溢氣與吸氣 圖圖3-63-6爐膛內(nèi)壓力變化及溢氣和吸氣情形 （a）爐膛密封嚴(yán)密（b）打開爐門 （c）爐門密封不嚴(yán)（d）爐膛正壓操作 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 爐膛的溢氣與吸氣 290. 0 2

6、73950 273 3 . 1 0 0 t g g g t g T T 205. 1 27320 273 293. 1 20 0 20 a a a t a T T 95.17281. 9290. 0205. 1gHhP gas 例題例題3-13-1：設(shè)爐膛內(nèi)的爐氣溫度為950，爐氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為1.3kg/m3, 爐外空氣 溫度為20。問當(dāng)爐底表壓力為零時(shí)，距爐底2m高處爐頂?shù)谋韷毫槎嗌? 分析與解答分析與解答: : 當(dāng)爐氣溫度為950時(shí)，爐氣的密度為： (Pa) 空氣溫度在20時(shí)的密度為: 基準(zhǔn)面取在爐頂，則爐底：H=2m，代入式(3-9b)得： (kg/m3) (kg/m3) 靜止

7、爐氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 煙囪的抽氣作用煙囪的抽氣作用 圖圖3-73-7 煙囪的抽氣作用 gHPPP aaag 122 gHPP gag 1 2 gHPP gagg 21 靜止?fàn)t氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 煙囪的抽氣作用煙囪的抽氣作用 225. 0 2731300 273 3 . 1 0 0 t g g g t g T T 205. 1 27320 273 293. 1 20 0 20 a a a t a T T 14.961081. 9225. 0205. 1 21 gHPP gagg 例題例題3-23-2：設(shè)燃料爐膛內(nèi)的爐氣溫度為1300，爐氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密 度為1.3kg/m3, 爐外空氣溫度為2

8、0。問煙囪高度為10m時(shí)，它的理論抽力 為多少? 分析與解答分析與解答: : 當(dāng)爐氣溫度為1300時(shí)，爐氣的密度為： 空氣溫度在20時(shí)的密度為： 煙囪的理論抽力為： (kg/m3) (kg/m3) (Pa) 運(yùn)動(dòng)爐氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 爐氣的動(dòng)能與動(dòng)壓頭爐氣的動(dòng)能與動(dòng)壓頭 22 2 1 2 1 vMvEd 2 2 1 vhd 圖圖3-83-8壓頭測量示意圖 總壓PA1gh1 靜壓PB1gh2 動(dòng)壓頭壓Pc1gh hgP v c B 1 22 211 22hhgPP v BA B 應(yīng)用這種裝置，并按層流或紊流考慮vav/vmax的數(shù) 值便可粗略地測量出管內(nèi)爐氣的平均流速和流量。 動(dòng)能動(dòng)壓頭 運(yùn)動(dòng)爐

9、氣的能量和能量轉(zhuǎn)換 爐氣的能量損失爐氣的能量損失 伯努力 方程的 能量和 壓頭表 達(dá)式 摩擦能量 損失 局部能量 損失 d L tv d L vh fttff )1 ( 2 1 2 1 2 00 2 )1 ( 2 1 2 1 2 00 2 tvvh ttpa 流動(dòng)爐氣的能量轉(zhuǎn)化 n i i vvgzPvgzP 1 2 2 222 2 111 22 1 2 1 n i gggggg vgvgzPvgzP 1 2 2 222 2 111 22 1 2 1 2211 gzPgzP aaaa hhhhhhhh dpddps1222111 應(yīng)用 煙囪內(nèi)爐氣的壓頭分布 圖圖3-123-12 爐氣壓頭沿?zé)焽?/p>

10、高度的變化 1 1：靜壓頭靜壓頭 隨高度的增加而增加隨高度的增加而增加 2 2：靜壓頭靜壓頭 隨高度的增加而減少隨高度的增加而減少 3：動(dòng)壓頭：動(dòng)壓頭 隨高度的增加而增加隨高度的增加而增加 4：壓頭損失隨高度的增加而增加：壓頭損失隨高度的增加而增加 煙囪內(nèi)爐氣的位壓頭沿 高度連續(xù)向動(dòng)壓頭和靜 壓頭轉(zhuǎn)化，能量損失不 斷增大，但總能量守恒。 應(yīng)用 爐墻上小孔溢氣量的計(jì)算 圖圖3-13 3-13 爐墻上小孔溢氣示意 氣流通過小孔時(shí)，因截面突然收縮，氣流在慣 性力的作用下將形成縮流，縮流的最小截面在 墻外，該墻稱為薄墻，在墻內(nèi)時(shí)，稱厚墻。 g ag PP v )(2 2 )1 ( 1 gHPP gaa

11、g )( g ag gH v )(2 2 縮流的大小用縮流系數(shù)（縮流面積f2與小孔 面積f之比）表示，即： f f2 g ga g ga v gH f gH fvfq )(2)(2 122 (m3/s) (m3/s) 應(yīng)用 爐門開啟時(shí)的溢氣 圖圖3-143-14 爐門溢氣示意 dzz g B gH dfdq g ga g ga vt 2 1 )(2 )(2 g ga g ga H q vtvt gH BH dzz gHg B dqq vt )(2 3 2 )(2 2 1 0 0 a ga vt gH BHq )(2 3 2 (m3/s) (m3/s) (m3/s) 小縫近似 爐門溢氣 爐門吸氣

12、 應(yīng)用 實(shí)際爐門開啟時(shí)的溢氣 圖圖3-15 3-15 實(shí)際爐門溢氣與吸氣示意圖 a ga vt gH BHq 2 2 )(2 3 2 a ga vt gH BHq 1 1 )(2 3 2 上溢下吸 溢氣量 吸氣量 爐底為正壓 靜靜 hHh gB q ga gga vt 3 2 3 2 (m3/s) (m3/s) (m3/s) 爐內(nèi)爐氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力和形態(tài)分析 圖圖3-16 3-16 箱式電阻爐內(nèi)的自然對(duì)流 圖圖3-173-17井式滲碳爐氣流狀態(tài) 自然對(duì)流強(qiáng)制對(duì)流 受熱爐氣具有上浮的動(dòng)力 風(fēng)扇供給爐氣運(yùn)動(dòng)動(dòng)能 圖3-18 燃料爐內(nèi)爐氣的流動(dòng)a）和壓力分布b） 爐內(nèi)爐氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力和形態(tài)分析 依靠煙囪抽力 造成定向流動(dòng) 1、通過調(diào)整進(jìn)入口和排煙 的位置可以調(diào)節(jié)和控制燃料 爐內(nèi)爐氣的壓力分布； 2、燃料爐通常要求爐膛底 部爐氣的壓力等于或稍大于 大氣壓，以防止?fàn)t外冷空氣 侵入和熱爐氣外溢； 3、調(diào)整爐