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(dòng)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(dòng)與工業(yè)窯爐的操作與設(shè)計(jì)密切相關(guān) 主要有：氣體的流動(dòng)狀態(tài)、速度、方向?qū)峤粨Q過程的影響；氣流的混合對(duì)燃燒的影響；氣流的分布對(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)，壓強(qiáng)每增加1帕?xí)r， 流體體積的相對(duì)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(shí)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(shí)，溫度升高1K時(shí), 流體體積的相對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力以反抗相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)滑動(dòng)，即分子間吸引力。氣體內(nèi)部分子的紊亂運(yùn)動(dòng)，使兩層流體間有分子相互摻混產(chǎn)生動(dòng)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(dòng)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(dòng)力粘度速度梯度- 動(dòng)

5、力粘度或動(dòng)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(dòng)力粘度速度梯度 3、 絕對(duì)粘度與相對(duì)粘度絕對(duì)粘度動(dòng)力粘度 運(yùn)動(dòng)粘度 相對(duì)粘度：恩氏粘度，國(guó)際賽氏秒、商用雷氏秒等，我國(guó)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(duì)粘度與相對(duì)粘度絕對(duì)粘度動(dòng)力粘 4、混合氣體的粘度計(jì)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(dòng)，溫度T增大，分子熱運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)量方程第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 1.1.2 氣體動(dòng)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(chǎng)中取微元六面體，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，推出空間流動(dòng)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(duì)于定常流動(dòng): 運(yùn)動(dòng)參數(shù)不隨時(shí)間變化，則上式變?yōu)椋海?）對(duì)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(duì)于定常流動(dòng):上式變?yōu)椋海?）對(duì)于不可壓縮流體 對(duì)于管流在管路沒有泄漏和補(bǔ)充的情況下,在同一時(shí)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(duì)不可壓縮流體， 為常數(shù)第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) 對(duì)于管流在管路沒有泄漏和補(bǔ)充的情況下,在同一時(shí)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(dòng)能勢(shì)能壓力能壓頭動(dòng)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(dòng)能勢(shì) 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(dòng) 任意取兩個(gè)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(dòng)過程中，在管

9、道的任一截面上，流體的靜壓能、位能及動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)寫式： (5)有能量輸入或輸出時(shí)：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(dòng)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(dòng)注意問題：基準(zhǔn)面的選擇一定在上方幾何壓頭動(dòng)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(duì)于外界同高度冷氣體壓強(qiáng)的值 (相對(duì)壓）。（2）相對(duì)幾何壓頭物理意義：?jiǎn)挝惑w積熱氣體相對(duì)于外界同高度冷氣體位能之差。（3）動(dòng)壓頭物理意義：?jiǎn)挝惑w積的熱氣體所具有的動(dòng)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(duì)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(dòng)狀態(tài)及判斷雷諾實(shí)驗(yàn)層流過

11、渡流紊流第1篇 普通陶瓷工藝學(xué) （5）流體流動(dòng)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(dòng)，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(shí)，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(dòng)軌跡錯(cuò)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(dòng)，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(shí)，流態(tài)為層流；Re10000時(shí)，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(jiǎn)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(shí)的阻力有關(guān)由實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)-氣體從爐內(nèi)往外流， 負(fù)壓操作時(shí)-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(shí) 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(gè)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(dòng)，才能夠使氣流溫度分布均勻；冷氣體應(yīng)自下而上流動(dòng)，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(dòng). 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(duì)于通道a取1-1為基準(zhǔn)面,幾何壓頭:1122ab靜壓頭：動(dòng)壓頭：阻力損失將各項(xiàng)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(duì)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(dòng)時(shí)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(dòng)。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(duì)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(duì)于通道

16、a取1-1為基準(zhǔn)面,幾何壓頭:靜壓頭：動(dòng)壓頭：阻力損失將各項(xiàng)代入，則柏努利方程 變?yōu)榈?篇 普通陶瓷工藝學(xué) 對(duì)于通道a取1-1為基準(zhǔn)面,幾何壓頭:靜壓頭：動(dòng)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(dòng)時(shí)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(dòng)：冷氣流自下而上流動(dòng)：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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)產(chǎn)生 煙囪抽力計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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