氣體力學(xué)在窯爐中的應(yīng)用解析課件

1、氣體力學(xué)在窯爐中的應(yīng)用解析課件氣體力學(xué)在窯爐中的應(yīng)用解析課件 1.0 概述一、氣體力學(xué)概念 氣體力學(xué)是從宏觀角度研究氣體平衡和流動規(guī)律的一門學(xué)科。 二、研究氣體力學(xué)意義1、氣體在工業(yè)窯爐中的作用 載熱體、反應(yīng)劑、霧化劑2、氣體流動與工業(yè)窯爐的操作與設(shè)計密切相關(guān) 主要有：氣體的流動狀態(tài)、速度、方向?qū)峤粨Q過程的影響；氣流的混合對燃燒的影響；氣流的分布對爐溫爐壓的影響。第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.0 概述一、氣體力學(xué)概念 氣體力學(xué) 1.1 氣體力學(xué)基礎(chǔ)1.1.1 氣體的物理屬性1.1.1.1 理想氣體狀態(tài)方程 在溫度不過低（T-20），壓強(qiáng)不過大（p200atm）時，氣體遵守理想氣體狀態(tài)方程 pv

2、=RT 其中，R=8314.3/M , J/kg.K; P氣體的絕對壓強(qiáng) ， Pa； T 氣體的溫度， K； v 氣體的比容，m3/kg第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1 氣體力學(xué)基礎(chǔ)1.1.1 氣體的物理屬性1. 1.1.1.2 氣體的壓縮性和膨脹性1、 氣體的壓縮性定義：流體在外力作用下改變自身容積的特性。溫度一定,P , V 表示：壓縮系數(shù)p ：當(dāng)溫度不變時，壓強(qiáng)每增加1帕?xí)r， 流體體積的相對變化率。 第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1.1.2 氣體的壓縮性和膨脹性定義：流體在外力作 氣體 壓縮系數(shù)很大，為可壓縮流體特殊情況：壓強(qiáng)變化較小時視為不可壓縮理想氣體：或溫度一定，P V 理想氣體的壓縮

3、系數(shù) ：標(biāo)態(tài)：在無機(jī)材料工業(yè)窯爐中： 窯爐中的氣體可看作是不可壓縮氣體； 在某些高壓噴嘴中，應(yīng)將氣體視作可壓縮氣體。第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 氣體 壓縮系數(shù)很大，為可壓縮流體特殊情況：壓強(qiáng)變化較 2、氣體的膨脹性定義: 流體受熱（或冷卻）后改變自身容積的特性 表示:(1/K) 氣球受熱膨脹膨脹系數(shù)T壓強(qiáng)不變時，溫度升高1K時, 流體體積的相對變化率 第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 2、氣體的膨脹性定義: 流體受熱（或冷卻）后改變自 氣體 膨脹系數(shù)很大，溫度變化時體積變化很大理想氣體:壓強(qiáng)一定，T V 理想氣體膨脹系數(shù):標(biāo)態(tài):第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 氣體 膨脹系數(shù)很大，溫度變化時體積變化很大理想氣體:壓

4、1.1.1.3 氣體粘性 1、定義： 氣體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)或流層間因相對運(yùn)動而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗相對運(yùn)動的性質(zhì)粘性產(chǎn)生原因相鄰氣體層間分子的內(nèi)聚力阻礙其相對滑動，即分子間吸引力。氣體內(nèi)部分子的紊亂運(yùn)動，使兩層流體間有分子相互摻混產(chǎn)生動量交換。（主要原因）2、粘性產(chǎn)生原因第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1.1.3 氣體粘性 粘性產(chǎn)生相鄰氣體層間分子的 神八飛船返回艙在內(nèi)蒙古四子王旗著陸表面受氣體摩擦灼燒現(xiàn)象明顯第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 神八飛船返回艙在內(nèi)蒙古四子王旗著陸表面受氣體摩擦灼燒現(xiàn)象 牛頓內(nèi)摩擦定律: 運(yùn)動流體的內(nèi)摩擦力的大小與兩層流體之間的速度梯度成正比。單位面積上的內(nèi)摩擦力:動力粘度速度梯度- 動

5、力粘度或動力粘滯系數(shù)。 單位:N.s/m2或kg/m.s或Pa.s第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 牛頓內(nèi)摩擦定律:單位面積上的內(nèi)摩擦力:動力粘度速度梯度 3、 絕對粘度與相對粘度絕對粘度動力粘度 運(yùn)動粘度 相對粘度：恩氏粘度，國際賽氏秒、商用雷氏秒等，我國常采用恩氏粘度。 單位：m2/s單位:N.s/m2或kg/m.s或Pa.s第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 3、 絕對粘度與相對粘度絕對粘度動力粘 4、混合氣體的粘度計算公式：式中，n混合氣體的種類數(shù)； m混合氣體的粘度； Mi、i、i混合氣體中各組分的分子量、體積百分?jǐn)?shù)、粘度。 第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 4、混合氣體的粘度式中，n混合氣體的種類數(shù)；第1篇 5、

6、粘度與溫度的關(guān)系（1）影響粘度的因素 液體：主要取決于分子間的內(nèi)聚力。 溫度T增大，分子間距增加，內(nèi)聚力減小，黏度降低。 氣體：主要取決于分子紊亂運(yùn)動，溫度T增大，分子熱運(yùn)動增強(qiáng)，黏度增大（2）氣體的粘度與溫度的關(guān)系：C與氣體性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，見表1-1第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 5、粘度與溫度的關(guān)系（1）影響粘度的因素（2）氣體的粘 1.1.1.4 氣體的浮力液體：一般可不考慮其在氣體浮力的作用氣體：考慮其氣體浮力的影響。例如：在空氣中有兩個同樣大小的流體柱（高10m,截面積為1m2）熱煙氣水第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1.1.4 氣體的浮力熱煙氣水第1篇 普通陶 1.1.2 氣體動力學(xué)基本方程式

7、質(zhì)量守恒原理連續(xù)性方程熱力學(xué)第一定律能量方程（柏努利方程）牛頓第二定律動量方程第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1.2 氣體動力學(xué)基本方程式質(zhì)量守恒原理連 1.1.2.1 連續(xù)性方程 在流場中取微元六面體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，推出空間流動的連續(xù)性方程。方程適用條件： 可壓縮流體，恒定流和非恒定流。 第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1.2.1 連續(xù)性方程 在流 討論（1）對于定常流動: 運(yùn)動參數(shù)不隨時間變化，則上式變?yōu)椋海?）對于不可壓縮流體，=常數(shù)上式變?yōu)椋旱?篇 普通陶瓷工藝學(xué) 討論（1）對于定常流動:上式變?yōu)椋海?）對于不可壓縮流體 對于管流在管路沒有泄漏和補(bǔ)充的情況下,在同一時間內(nèi)，流進(jìn)任一截面的流

8、體的質(zhì)量和從另一截面流出的流體質(zhì)量相等。表達(dá)式M=M出 A1w11=A2w22=Aw 對不可壓縮流體， 為常數(shù)第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 對于管流在管路沒有泄漏和補(bǔ)充的情況下,在同一時間內(nèi)，流進(jìn) 1.1.2.2 伯努利方程流體的能量分析機(jī)械能動能勢能壓力能壓頭動壓頭靜壓頭單位體積流體所具有的能量能量除以流體體積即得相應(yīng)壓頭幾何壓頭第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1.2.2 伯努利方程流體的能量分析機(jī)械能動能勢 1.伯努利方程（1）理想流體的伯努利方程 理想流體在變截面和管道中等溫而穩(wěn)定地緩變流動 任意取兩個截面1-1和2-2，如圖:據(jù)能量守恒定律可得：伯努利方程不可壓縮的理想流體在等溫流動過程中，在管

9、道的任一截面上，流體的靜壓能、位能及動能之和是不變的。三者之間可以相互轉(zhuǎn)化第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.伯努利方程理想流體在變截面和管道中等溫而穩(wěn)定地緩變流 (2)實(shí)際情況下的伯努利方程 實(shí)際流體有粘性，流動過程中有能量損失，能量方程：(3)窯爐中熱氣體的伯努利方程： (4)伯努利方程的簡寫式： (5)有能量輸入或輸出時：第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) (2)實(shí)際情況下的伯努利方程 實(shí)際流體有粘性，流動過程中 2.窯爐中熱氣體伯努利方程（二流體）上式適用條件： a) 不可壓縮流體； b)質(zhì)量力僅有重力； c)恒定流動注意問題：基準(zhǔn)面的選擇一定在上方幾何壓頭動壓頭靜壓頭阻力損失第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 2.

10、窯爐中熱氣體伯努利方程（二流體）上式適用條件：幾何壓 （1）靜壓頭 物理意義：熱氣體相對于外界同高度冷氣體壓強(qiáng)的值 (相對壓）。（2）相對幾何壓頭物理意義：單位體積熱氣體相對于外界同高度冷氣體位能之差。（3）動壓頭物理意義：單位體積的熱氣體所具有的動能。第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （1）靜壓頭 物理意義：熱氣體相對于外界同高度冷氣體壓強(qiáng) （4）壓頭損失 物理意義；表示兩截面間單位體積的熱氣體損失的總能量。即：摩擦阻力損失和局部阻力損失的總和。 摩擦阻力系數(shù)，與流體流態(tài)有關(guān)局部阻力系數(shù)，見附錄2第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （4）壓頭損失 物理意義；表示兩截面間單位 （5）流體流動狀態(tài)及判斷雷諾實(shí)驗層流過

11、渡流紊流第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （5）流體流動狀態(tài)及判斷層流過渡流紊流第1篇 普通陶瓷 流體的三種流態(tài)（A）層流：流體作有規(guī)則的平行流動，質(zhì)點(diǎn)之間互不干擾混雜（B）過渡流：質(zhì)點(diǎn)沿軸向前進(jìn)時，在垂直于軸向上也有分速度（C）紊（湍）流：質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞相互混雜，運(yùn)動軌跡錯綜復(fù)雜第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 流體的三種流態(tài)（A）層流：流體作有規(guī)則的平行流動，質(zhì)點(diǎn)之 流態(tài)判斷：雷諾準(zhǔn)數(shù)圓形管道d為直徑,非圓形管道用當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑de=水利半徑RH4水利半徑Re2300時，流態(tài)為層流；Re10000時，流態(tài)為湍流；2300ReF2，w1w2，所以hk1可忽略；又因P2=Pa，所以hs2=0伯努利方程簡化為：

12、第1篇 普通陶瓷工藝學(xué)縮流系數(shù)：不同形狀孔的1-2斷面的伯努利方程式為：因Z1=Z 即：速度系數(shù)與流體流出時的阻力有關(guān)由實(shí)驗確定 第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 即：速度系數(shù)第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 通過小孔流出的氣體流量：流量系數(shù)=由實(shí)驗確定通過小孔吸入的氣體流量：第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 通過小孔流出的氣體流量：流量系數(shù)通過小孔吸入的氣體流量：2、氣體通過爐門的吸入和流出A) 氣體通過爐門的流出（爐內(nèi)正壓）如圖。設(shè)爐門高為H，寬為B 爐門與小孔區(qū)別為爐門內(nèi)的壓強(qiáng)隨高度而變化。在爐門中心線上取一微元體dz 則微元體面積為：dF = B dz， 設(shè)爐門中心線距離零壓面的高度為z，爐門下邊緣距零壓面高度為z

13、1，爐門上邊緣距零壓面高度為z2HZ1ZZ2pazdzpz零壓面 paB第1篇 普通陶瓷工藝學(xué)2、氣體通過爐門的吸入和流出 爐門與小孔區(qū)別為爐門內(nèi) 運(yùn)用前面的公式，可得代入上式，得：取z為常數(shù)，則HZ1ZZ2pazdzpz零壓面 paB應(yīng)特別注意PZ與Z的關(guān)系第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 運(yùn)用前面的公式，可得代入上式，得：取z為常數(shù)，則HZ1 B) 氣體通過爐門的吸入(爐內(nèi)負(fù)壓)同理結(jié)論：正壓操作時-氣體從爐內(nèi)往外流， 負(fù)壓操作時-氣體從外往爐內(nèi)流第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) B) 氣體通過爐門的吸入(爐內(nèi)負(fù)壓)同理結(jié)論：正壓操作時 1.2. 2分散垂直氣流法則窯爐內(nèi)分散垂直通道要求溫度分布均勻，那么，怎

14、么才能夠使溫度分布均勻呢？分散垂直氣流法則回答了這個問題。分散垂直氣流概念: 指一股氣流在垂直的通道內(nèi)被分成多股平行的小氣流1122ab第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.2. 2分散垂直氣流法則窯爐內(nèi)分散垂直通道要求溫度分 分散垂直氣流法則： 在分散垂直氣流通道內(nèi)，熱氣體應(yīng)自上而下流動，才能夠使氣流溫度分布均勻；冷氣體應(yīng)自下而上流動，才能夠使氣流溫度分布均勻。分散垂直氣流法則適用范圍： 適用于幾何壓頭起主要作用的通道內(nèi)（如倒焰窯）。若通道內(nèi)的阻力很大（如立窯），此法則不再適用。第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 分散垂直氣流法則：分散垂直氣流法則適用范圍：第1篇 普 法則分析：如圖1、假設(shè)一股熱氣流被分成兩股氣

15、流,在a.b垂直通道內(nèi)自上而 下流動. 取有效斷面1-1與2-2，兩截面之間的二氣流的柏努利方程 對于通道a取1-1為基準(zhǔn)面,幾何壓頭:1122ab靜壓頭：動壓頭：阻力損失將各項代入，則柏努利方程 變?yōu)榈?篇 普通陶瓷工藝學(xué) 法則分析：如圖1、假設(shè)一股熱氣流被分成兩股氣流,在a.b 同理對于通道b要使溫度分布均勻，必須滿足a、b通道內(nèi)靜壓差相等即該方程為氣流自上而下流動時的溫度分布均勻條件 2、 假設(shè)一股冷氣流被分成兩股氣流，在a.b垂直通道內(nèi)自下而上流動。取有效斷面1-1與2-2，列二氣流的柏努利方程 第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 同理對于通道b要使溫度分布均勻，必須滿足a、b通道內(nèi)靜壓 對于通道

16、a取1-1為基準(zhǔn)面,幾何壓頭:靜壓頭：動壓頭：阻力損失將各項代入，則柏努利方程 變?yōu)榈?篇 普通陶瓷工藝學(xué) 對于通道a取1-1為基準(zhǔn)面,幾何壓頭:靜壓頭：動壓頭：阻 同理要使溫度分布均勻，必須滿足a、b通道內(nèi)靜壓差相等即該方程為冷氣流自下而上流動時的溫度分布均勻條件結(jié)論：保證a、b通道溫度分布均勻條件熱氣流自上而下流動：冷氣流自下而上流動：第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 同理要使溫度分布均勻，必須滿足a、b通道內(nèi)靜壓差相等即該 法則的應(yīng)用（幾何壓頭起主要作用的通道內(nèi)）： （1）若使熱氣體自上而下流動，則幾何壓頭相當(dāng)于阻力，所以a通道阻力大，使得Va Vb ，因而a通道內(nèi)的熱氣體越來越多，ta就越來越高

17、，從而導(dǎo)致a、b溫度分布更加不均勻。假定由于某種原因使ta tb 因此： 熱氣流只有自上而下流動，才能保證a、b通道溫度分布均勻條件； 冷氣流只有自下而上流動，才能保證a、b通道溫度分布均勻條件（自行分析）第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 法則的應(yīng)用（幾何壓頭起主要作用的通道內(nèi)）： （1）若使熱 1.2. 3氣體射流1、射流的概念2、射流的分類按流動形態(tài)按射入空間層流：發(fā)生管嘴較小，噴出氣體量較小湍流：發(fā)生管嘴較大，噴出氣體量較大自由射流：噴射到充滿靜止介質(zhì)的無限空間受限射流：噴射到有限空間，受到有限空間限制第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.2. 3氣體射流1、射流的概念按流動形態(tài)按射入空間層 3、受限射流

18、無機(jī)材料工業(yè)窯爐多數(shù)的射流受到射入空間的限制，而受限空間（窯爐、燃燒室）內(nèi)的氣體循環(huán)情況，直接影響窯內(nèi)的傳熱。討論：影響受限空間氣體循環(huán)的因素（1）受限空間的大小用射流出口截面與有限空間截面積之比衡量n很小，即為自由射流；n很大，即為管流。上述兩種情況，氣體循環(huán)均為零！第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 3、受限射流 無機(jī)材料工業(yè)窯爐多數(shù)的射流受 （2）射流噴出口的位置第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （2）射流噴出口的位置第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （3）射流噴出口與氣流出口的相對位置第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （3）射流噴出口與氣流出口的相對位置第1篇 普通陶瓷工 （4）射流的噴出壓強(qiáng)及射流與墻面交角的影響 噴出壓強(qiáng)

19、P ，噴出速度w ，產(chǎn)生回流區(qū)的氣體愈多，氣體循環(huán)強(qiáng)烈。射流與墻面交角大，形成回流小。第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （4）射流的噴出壓強(qiáng)及射流與墻面交角的影響射流與墻面交角 1.3 煙囪1.3.1煙囪的工作原理1.原理：由于熱氣體受到外界空氣的浮力而向上流動產(chǎn)生一定的幾何壓頭，在煙囪底部產(chǎn)生負(fù)壓（抽力）。 如抽力能克服窯爐系統(tǒng)的總阻力，就能使煙氣從窯內(nèi)斷地流至煙囪底部，通過煙囪而排入大氣。煙囪底部負(fù)壓的絕對值即煙囪底部的真空度 抽力第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.3 煙囪由于熱氣體受到外界空氣的浮力而向上流動產(chǎn)生 煙囪抽力計算：斷面 1-2的伯努利方程式： Z20，Z1H，p2pa，煙囪抽力等于煙囪的幾

20、何壓頭減去煙囪內(nèi)氣體動壓頭的增量和煙囪內(nèi)氣體的摩擦阻力損失w2 p2 w1 av a p1 221100H第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 煙囪抽力計算：斷面 1-2的伯努利方程式： Z22.影響煙囪抽力的因素 （1）煙囪的高度H，hc（2）煙氣的溫度t，hc（3）空氣的溫度ta，a， hc（4）空氣的濕度濕度，a， hc（5）海拔高度海拔，a， hc第1篇 普通陶瓷工藝學(xué)2.影響煙囪抽力的因素 （1）煙囪的高度H，hc（2） 1.3.2煙囪的熱工計算1煙囪的直徑（1）煙囪頂部直徑 自然通風(fēng)：w024 Bm/s機(jī)械通風(fēng)：w0815 Bm/s施工要求：磚煙囪和混凝土煙囪d0.8m 頂部厚度24cm。第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.3.2煙囪的熱工計算1煙囪的直徑自然通風(fēng)：w02 （2）煙囪底部直徑小型鐵皮煙囪通常上