流體力學(xué)與流體機(jī)械十課件

流體力學(xué)與流體機(jī)械

(十)多媒體教學(xué)課件李文科制作流體力學(xué)與流體機(jī)械

(十)多媒體教學(xué)課件1第十章噴射器與煙囪第一節(jié)噴射器第二節(jié)煙囪第十章噴射器與煙囪第一節(jié)噴射器2第十章噴射器與煙囪

在工程上常用的流體輸送裝置有三大類，即噴射器、煙囪、泵與風(fēng)機(jī)。其中泵與風(fēng)機(jī)又屬于動(dòng)力設(shè)備，也被稱作流體機(jī)械。關(guān)于泵與風(fēng)機(jī)的基本理論、設(shè)備性能、運(yùn)行與管理等方面的知識(shí)將在單獨(dú)的章節(jié)中講授。本章將主要介紹噴射器和煙囪的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算以及在工程上的應(yīng)用等。第十章噴射器與煙囪在工程上常用的流體輸送裝置3第一節(jié)噴射器內(nèi)容提要一、噴射器的結(jié)構(gòu)和工作原理二、噴射器的噴射方程三、噴射器的效率四、噴射器合理尺寸的確定第一節(jié)噴射器內(nèi)容提要4第一節(jié)噴射器

噴射器通常屬于送風(fēng)及排氣裝置，它是利用流速較高的流體向限制空間內(nèi)噴射，卷吸和帶動(dòng)流速較低的或靜止的流體流動(dòng)。噴射介質(zhì)與吸入介質(zhì)在噴射器的混合段內(nèi)的摻混流動(dòng)屬于限制射流。混合后的流體稱為混合介質(zhì)。第一節(jié)噴射器噴射器通常屬于送風(fēng)及排氣5第一節(jié)噴射器

一、噴射器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1噴射器的結(jié)構(gòu)及各部分的作用

噴射器的結(jié)構(gòu)：圖10-1為完整噴射器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，它是由噴管、收縮段、混合段和擴(kuò)張段四部分組成。簡(jiǎn)單的噴射器只有噴管和混合段，而沒有收縮段和擴(kuò)張段。設(shè)計(jì)噴射器，就是根據(jù)給定的條件，確定各個(gè)部分的合理尺寸。根據(jù)噴射介質(zhì)的壓力比pe/p0的不同，噴管的形式可用收縮形或拉瓦爾形。收縮形噴管可得到音速或亞音速射流，拉瓦爾形噴管可得到超音速射流。第一節(jié)噴射器一、噴射器的結(jié)構(gòu)和工作原6第一節(jié)噴射器圖10-1噴射器的結(jié)構(gòu)

第一節(jié)噴射器7第一節(jié)噴射器

噴射器各部分的作用：

混合段的作用在于促使噴射介質(zhì)和吸入介質(zhì)的屬性及速度分布均勻化。增加收縮段和擴(kuò)張段是為了提高噴射器的效率，前者可以提高吸入流體的入口速度，以減少兩種流體混合過程中質(zhì)點(diǎn)沖擊所造成的能量損失；后者是為了減小混合流體的噴出速度，使混合流體的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，從而增大噴射器出口與吸入口之間的壓力差，提高抽吸能力。噴管的作用是產(chǎn)生高速射流(亞音速射流或超音速射流)。第一節(jié)噴射器噴射器各部分的作用：8第一節(jié)噴射器

2噴射器的工作原理

如圖10-1所示，噴射介質(zhì)在壓力能的作用下經(jīng)由噴管噴射到混合管內(nèi)，自噴管出口截面起形成紊流射流。由于噴出的流體與周圍被噴射的流體(吸入介質(zhì))質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞，兩者進(jìn)行質(zhì)量交換和動(dòng)量交換，吸入介質(zhì)逐漸被卷入射流內(nèi)部并帶動(dòng)其一起向前運(yùn)動(dòng)。又因?yàn)榛旌瞎苁且粋€(gè)直徑有限的圓筒，當(dāng)前面的流體被迫向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，后面的流體變得稀薄而使壓力下降，在混合管入口端造成一定的負(fù)壓(抽力)，促使外界流體連續(xù)不斷地吸入混合管內(nèi)，又不斷被噴射流體帶走。噴射流體的噴射動(dòng)能愈大，造成的負(fù)壓也愈大，因而被帶入的流體量也愈多。實(shí)驗(yàn)和理論都證明，對(duì)于一定尺寸的噴射第一節(jié)噴射器2噴射器的工作原理9第一節(jié)噴射器器，被噴射流體的量與噴射流體的量基本上自動(dòng)保持成正比的關(guān)系。這就是噴射器的工作原理。噴射介質(zhì)和吸入介質(zhì)流經(jīng)混合管段時(shí)，由于質(zhì)點(diǎn)的沖擊作用和摩擦作用，而產(chǎn)生能量損失。如果兩種流體介質(zhì)的混合是在等壓條件下進(jìn)行的，則混合前后的動(dòng)量守恒關(guān)系為式中G1為噴射流體的質(zhì)量流量，G2為吸入流體的質(zhì)量流量，G3為混合流體的質(zhì)量流量，G3=G1+G2；u1為噴射流體的流速，u2為吸入流體的流速，u3為混合流體的流速。第一節(jié)噴射器器，被噴射流體的量與噴射流體的量10第一節(jié)噴射器混合前兩種流體的動(dòng)能為混合流體的動(dòng)能為兩種流體在混合前后的能量損失為(10-1)由上式可以看出，當(dāng)兩種速度不同的流體混合時(shí)，兩者的速度差越大，混合后損失的能量越多。由此可知，當(dāng)G1和G2確定以后，為了減少噴射的能量損失，應(yīng)盡可能減小兩速度的第一節(jié)噴射器混合前兩種流體的動(dòng)能為11第一節(jié)噴射器差值Δu=u1-u2。一般情況下，根據(jù)噴射流體在噴出前后的壓力差(或壓力比)，可以求得速度u1，因此適當(dāng)提高u2可以提高噴射器的效率。研究表明，與噴射器最佳工況相適應(yīng)存在有最佳吸入速度u2。流體流經(jīng)混合管產(chǎn)生的摩擦阻力，與管長(zhǎng)、管徑、雷諾數(shù)Re及管壁粗糙度有關(guān)。應(yīng)該指出，盡管混合段內(nèi)不同截面上流體的質(zhì)量流量相同，流量平均速度相等，但隨著截面流速的逐漸均勻化，流體的靜壓將逐漸升高，而總動(dòng)量在逐漸減小。這一點(diǎn)可以通過理論證明。第一節(jié)噴射器差值Δu=u1-u2。一般情況下12第一節(jié)噴射器

二、噴射器的噴射方程

1.簡(jiǎn)單噴射器的噴射方程圖10-2為簡(jiǎn)單噴射器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中G1、u1、p1分別為噴射介質(zhì)在Ⅰ截面上的質(zhì)量流量、平均流速和靜壓力；G2、u2、p2分別為吸入介質(zhì)在Ⅱ截面上的質(zhì)量流量、平均流速和靜壓力；G3、u3、p3分別為混合介質(zhì)在Ⅲ截面上的質(zhì)量流量、平均流速和靜壓力。當(dāng)噴射介質(zhì)為亞音速流動(dòng)時(shí)，可以認(rèn)為p1=p2。

第一節(jié)噴射器二、噴射器的噴射方程13第一節(jié)噴射器圖10-2簡(jiǎn)單噴射器第一節(jié)噴射器14第一節(jié)噴射器取控制空間如圖10-2中虛線所示，列出Ⅱ—Ⅲ截面間的動(dòng)量方程，并考慮到混合管內(nèi)的摩擦阻力，得到整理得(10-2)

式(10-2)就是簡(jiǎn)單噴射器的噴射方程。該式說明，噴射器兩端壓力差Δp=p3-p2的大小決定于噴射器進(jìn)出口的總動(dòng)量差，Ⅱ截面與Ⅲ截面上的總動(dòng)量差越大，噴射器兩端的壓力差就越大。對(duì)簡(jiǎn)單噴射器來說，p3等于外界環(huán)境壓力，所以p2為負(fù)壓(抽力)。噴射器兩端的壓力差越大，Ⅱ截面上形成的抽力就越大，這就是噴射器能夠送風(fēng)排氣的道理。第一節(jié)噴射器取控制空間如圖10-2中15第一節(jié)噴射器

2.完整噴射器的噴射方程如圖10-1，列收縮段的0-0截面至Ⅱ—Ⅱ截面的伯努利方程式中K2為收縮段的阻力系數(shù)。由于入口截面流體的流速u0很小，其動(dòng)能項(xiàng)可以忽略不計(jì)。上式簡(jiǎn)化后得到(10-3)再列擴(kuò)張段Ⅲ-Ⅲ截面至Ⅳ-Ⅳ截面的伯努利方程或?qū)懗傻谝还?jié)噴射器2.完整噴射器的噴射方16第一節(jié)噴射器

式中K4為擴(kuò)張段的阻力系數(shù)。(10-4)由式(10-2)減去式(10-3)，再加上式(10-4)，整理后得(10-5)

ηk為混合段入口至擴(kuò)張段出口間的綜合效率系數(shù)，可由表10-1查得，它代表該段內(nèi)所增加的抽力(p4-p2)與擴(kuò)張段入口動(dòng)壓(1/2)ρ3u32之比。第一節(jié)噴射器17第一節(jié)噴射器

表10-1擴(kuò)張管的效率另外，考慮到A3=G3/ρ3u3，則式(10-5)可寫成(10-6)

式(10-6)就是完整噴射器的噴射方程。它是計(jì)算整個(gè)噴射器所造成的壓力差(抽力)的基本方程式，它表明了擴(kuò)張段末端與收縮段入口端的壓力差與各流體參量間的關(guān)系。在其他條件d4/d31.01.051.21.41.61.8≥2.0ηk-0.1500.300.480.550.590.6第一節(jié)噴射器18第一節(jié)噴射器相同的情況下，噴射介質(zhì)的速度u1越大，(p4-p0)的值也越大。但(p4-p0)的值與u3之間的關(guān)系則不然，u3過大或過小都對(duì)噴射作用產(chǎn)生不利影響。第一節(jié)噴射器相同的情況下，噴射介質(zhì)的速度u119第一節(jié)噴射器

三、噴射器的效率

噴射器的效率定義為單位時(shí)間內(nèi)吸入流體通過噴射器所獲得的能量與噴射流體在噴射器中所消耗的能量之比。單位時(shí)間內(nèi)吸入流體所獲得的能量是指壓力由p0升高到p4所提高的壓力能以及流速由u0增加到u4所提高的動(dòng)能之和，即由于入口截面的流體速度u0與u4相比很小，可以忽略不計(jì)，因此吸入流體獲得的能量可寫成第一節(jié)噴射器三、噴射器的效率20第一節(jié)噴射器單位時(shí)間內(nèi)噴射流體在噴射器中所消耗的能量等于噴射流體在Ⅰ截面上的壓力能與動(dòng)能之和減去噴射流體在Ⅳ截面上的壓力能與動(dòng)能之和，即以上兩式中的Q1和Q2分別為噴射流體和吸入流體的體積流量。由此可得噴射器的效率為(10-7)在設(shè)計(jì)或使用噴射器時(shí)，通?？偸橇η蟮玫阶畲蟮膰娚淦餍?，以便在能量消耗較少的情況下獲得較大的有效能。第一節(jié)噴射器單位時(shí)間內(nèi)噴射流體在噴射21第一節(jié)噴射器由式(10-7)可以看出，為獲得最大的噴射器效率，必須在噴射比Q2/Q1和噴射流體動(dòng)壓(1/2)ρ1u12一定的條件下，造成最大的壓力差(p4-p0)。因?yàn)榉帜干系?p4-p1)一項(xiàng)與(p4-p0)是一致的，一般說來(p4-p0)增大，相應(yīng)的(p4-p1)也將增大。不過(p4-p1)較之(1/2)ρ1u12來說，還是相對(duì)較小的。第一節(jié)噴射器由式(10-7)可以看出22第一節(jié)噴射器

四、噴射器合理尺寸的確定設(shè)計(jì)噴射器就是選擇各部位合理的幾何尺寸，以獲得最佳的噴射效率。對(duì)于不可壓縮流體而言，為確定最佳效率下噴射器各部位的合理尺寸，可按以下方法進(jìn)行計(jì)算。為了減少式(10-6)中變量的個(gè)數(shù)，并容易看出各主要參量間的相互關(guān)系，將噴射器的主要參量變?yōu)闊o因次量，用下列符號(hào)表示：

質(zhì)量噴射比體積噴射比噴射截面比

吸入口截面比第一節(jié)噴射器四、噴射器合理尺寸的確定23第一節(jié)噴射器因此將上述各無因次量代入式(10-6)，經(jīng)整理簡(jiǎn)化后為(10-8)上式表明，噴射器產(chǎn)生的壓力差(p4-p0)與噴射介質(zhì)噴出的動(dòng)壓ρ1u12/2成正比，其比值是方括號(hào)內(nèi)變量(m，n，，)的函數(shù)。當(dāng)噴射器的噴射比(m，n)給定后，幾何尺寸不同，所產(chǎn)生的壓力差也不同，由式(10-7)看出，噴射器所產(chǎn)生的壓力差Δp=p4-p0越高，噴射器的效率越大。對(duì)不同的截面比和，第一節(jié)噴射器因此24第一節(jié)噴射器可得到不同的噴射效率η。分析表明，式(10-8)存在最大的壓力差Δpmax，為得到Δpmax，可令式(10-8)的一階導(dǎo)數(shù)為零，以求出最佳的截面比

和。令得(10-9)令得(10-10)第一節(jié)噴射器可得到不同的噴射效率η。分析表明25第一節(jié)噴射器收縮段的阻力系數(shù)K2之值依入口形狀不同，其變化范圍很大，在最佳尺寸附近進(jìn)行噴射器計(jì)算時(shí)，可取K2=0.2～0.3。將式(10-10)的

值代入式(10-9)中，得到最佳的值為(10-11)當(dāng)噴射比(m，n)給定以后，應(yīng)用式(10-10)和(10-11)便可確定噴射器的基本尺寸A1、A2和A3之間的最佳關(guān)系。將此兩式代入式(10-8)中，便可得到最佳尺寸條件下造成的壓力差，即(10-12)第一節(jié)噴射器收縮段的阻力系數(shù)K2之值依入口形26第一節(jié)噴射器由式(10-12)可以看出，在最大噴射效率下，完整噴射器造成的吸力(p4-p0)是噴射流體動(dòng)壓的倍。應(yīng)用式(10-12)求出(p4-p0)ja之值，并相應(yīng)求出(p4-p1)ja之值，代入式(10-7)，即可求出在最佳尺寸條件下噴射器的最大噴射效率。噴射器的基本尺寸A2和A3，可按上述公式確定，其他各部分尺寸，大多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)來確定。

1.噴管尺寸：噴管的關(guān)鍵尺寸是A1，它可根據(jù)第八章中噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行確定。如為收縮形噴管，當(dāng)噴管收縮角為30°～45°時(shí)，可取流量系數(shù)μ=0.96～0.84。

2.收縮段尺寸：收縮段的關(guān)鍵尺寸是收縮口環(huán)形截面積第一節(jié)噴射器由式(10-12)可以看27第一節(jié)噴射器

A2，由式(10-10)可見，在最佳條件下，即A2稍大于A3。收縮段的收縮角一般取α=25°，收縮段的長(zhǎng)度一般取l1=2d3。為了減少能量損失，收縮管的形狀盡可能做成逐漸收縮的喇叭形曲壁管段，收縮段進(jìn)口直徑可取d0=2d3。

3.混合段尺寸：混合段的關(guān)鍵尺寸是A3，可由式(10-11)算出，即。混合段的作用是使兩種流體相互混合，并使截面上的速度分布均勻化，從而在該段內(nèi)造成一定的壓力差(抽力)。為了使速度分布均勻，混合段應(yīng)具有足夠的長(zhǎng)度，并且在收縮段末端與混合段的直管段之間應(yīng)有一段過渡段，目的是為了進(jìn)一步減少能量損失，促使速度分布均勻化?；旌隙蝺?nèi)第一節(jié)噴射器A2，由式(10-10)可見，28第一節(jié)噴射器

過渡段的長(zhǎng)度一般取l2=(0.3～2.0)d3，直管段部分的長(zhǎng)度一般取l3=(3～5)d3，那么，混合段的總長(zhǎng)度為(l2+l3)≥5d3。

4.擴(kuò)張段尺寸：擴(kuò)張段的擴(kuò)張角一般取β=6°～8°，角度再大時(shí)，將會(huì)使流體脫離管壁，造成較大的能量損失。由表10-1可以看出，d4/d3太大，不會(huì)提高擴(kuò)張管的效果。通常取d4=(1.5～2.0)d3，其長(zhǎng)度為

l4=(d4-d3)/2tg(β/2)或者取l4=(7～10)d3第一節(jié)噴射器過渡段的長(zhǎng)度一般取l2=(0.329第二節(jié)煙囪內(nèi)容提要一、煙囪的工作原理二、煙囪計(jì)算三、分流定則第二節(jié)煙囪內(nèi)容提要30第二節(jié)煙囪要使燃料爐能夠正常工作，保持爐內(nèi)正常的氣體流動(dòng)、燃燒和熱交換過程，不僅要向爐內(nèi)供給足夠的燃料和助燃空氣，還必須不斷地將燃燒生成的高溫廢氣(煙氣)從爐內(nèi)排除。

采用的排煙方法有兩種：一種是用引風(fēng)機(jī)或噴射器進(jìn)行人工排煙；另一種是用煙囪進(jìn)行自然排煙。

煙囪排煙的優(yōu)點(diǎn)是：工作可靠，不易發(fā)生故障；不消耗動(dòng)力；能把煙氣送到高空以減輕對(duì)附近環(huán)境的污染；不需要經(jīng)常維修和保養(yǎng)等。因而，一般的工業(yè)爐多是采用煙囪排煙。只有當(dāng)排煙系統(tǒng)阻力過大或廢氣溫度太低時(shí)，才采用人工排煙，而且也多與煙囪同時(shí)使用。第二節(jié)煙囪要使燃料爐能夠正常工作，保31第二節(jié)煙囪

一、煙囪的工作原理煙囪能夠排煙，將廢氣從爐尾經(jīng)煙道、煙囪排入大氣，是由于煙囪底部具有抽力(負(fù)壓)，這是由相對(duì)于大氣的熱氣體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律所決定的，是熱氣體內(nèi)各種能量相互轉(zhuǎn)化的結(jié)果，是幾何壓頭的作用促使氣體流動(dòng)。

圖10-4為煙囪工作原理示意圖。煙囪內(nèi)部充滿著熱的煙氣，其重度為γg，煙囪外部為冷的空氣，其重度為γa。為使問題簡(jiǎn)化，先假定爐膛至煙囪出口，煙氣為等溫的，并處于靜止?fàn)顟B(tài)。煙囪的高度為H，煙囪出口處煙氣的相對(duì)壓力pm3=0。列煙囪底部Ⅱ-Ⅱ面至煙囪出口Ⅲ-Ⅲ面間煙氣相對(duì)于大氣的靜力學(xué)方程，基準(zhǔn)面取在Ⅱ-Ⅱ面，得第二節(jié)煙囪一、煙囪的工作原理32第二節(jié)煙囪

圖10-4煙囪工作原理示意圖

第二節(jié)煙囪33第二節(jié)煙囪因?yàn)闊焽璩隹谔巔m3=0，所以(10-13)由式(10-13)可以看出，因?yàn)棣胓<γa，H為煙囪高度，所以煙囪底部的相對(duì)壓力pm2為負(fù)值，即存在負(fù)壓(抽力)，它是由煙囪內(nèi)高溫?zé)煔獾膸缀螇侯^產(chǎn)生的。爐尾Ⅰ-Ⅰ截面處煙氣一般控制為零壓，pm1=0，因此，爐尾煙氣在煙囪底部的抽力作用下，源源不斷地經(jīng)煙道流到煙囪底部，接著在熱煙氣幾何壓頭的作用下不斷地排出煙囪。這就是煙囪的工作原理。第二節(jié)煙囪34第二節(jié)煙囪由式(10-13)還可以看出，煙囪的高度H越高、煙氣的溫度tg越高及環(huán)境空氣的溫度ta越低，煙囪底部的負(fù)壓值(抽力)越大，排煙能力越強(qiáng)。這就是說，煙囪的排煙能力大小取決于煙囪的高度H、煙氣的實(shí)際溫度tg和周圍環(huán)境空氣的溫度ta三個(gè)因素。式(10-13)中的pm2所代表的只是煙囪的理論抽力，因?yàn)樗窃诩俣煔馐堑葴睾挽o止的條件下得到的。實(shí)際上，煙氣從爐膛到煙囪出口是一個(gè)非等溫的運(yùn)動(dòng)過程。它在流動(dòng)過程中不僅要克服各種流動(dòng)阻力，而且還有能量的轉(zhuǎn)換，因此煙囪的實(shí)際抽力要比理論抽力小。煙囪的實(shí)際抽力可以用熱氣體相對(duì)于大氣的伯努利方程求得。第二節(jié)煙囪由式(10-13)還可以看35第二節(jié)煙囪?、?Ⅱ截面所在的水平面為基準(zhǔn)面，列Ⅱ-Ⅱ截面到Ⅲ-Ⅲ截面煙氣相對(duì)于大氣的伯努利方程令煙囪底部的實(shí)際抽力為H抽=－pm2，則上式可寫為(10-14)式中(γa－γgj)H—煙囪的理論抽力，即煙囪內(nèi)高溫?zé)煔獾膸缀螇侯^(相對(duì)位壓)增量；

—煙氣自煙囪底部到煙囪出口所產(chǎn)生的動(dòng)第二節(jié)煙囪?、?Ⅱ截面所在的水平面為36第二節(jié)煙囪壓增量；

Δpw2-3—煙氣流經(jīng)煙囪所產(chǎn)生的摩擦阻力。由式(10-14)可知，煙囪的實(shí)際抽力等于理論抽力減去煙囪內(nèi)煙氣的動(dòng)壓增量和所產(chǎn)生的摩擦損失。在煙囪高度不變和煙氣及環(huán)境溫度不變的條件下，煙囪內(nèi)壁的摩擦阻力越大及煙氣的動(dòng)壓增量越大，煙囪的實(shí)際抽力越小。至于煙囪底部要形成多大的負(fù)壓值，才能夠使煙氣從爐尾順利地經(jīng)煙道流到煙囪底部，這主要取決于煙道系統(tǒng)各類阻力損失的大小?，F(xiàn)仍取煙囪底部的Ⅱ-Ⅱ截面所在的水平面為基準(zhǔn)面(如圖10-4)，列爐尾處Ⅰ-Ⅰ截面到煙囪底部Ⅱ-Ⅱ截面的伯努利方程第二節(jié)煙囪壓增量；37第二節(jié)煙囪取爐尾處煙氣的相對(duì)壓力pm1=0，上式可簡(jiǎn)化為(10-15)由式(10-15)可以看出，煙囪底部負(fù)壓值(抽力)的大小應(yīng)滿足三方面的需要：一是克服高溫?zé)煔庾誀t尾經(jīng)支煙道向下流動(dòng)的阻力(幾何壓頭轉(zhuǎn)換)；二是滿足煙氣從Ⅰ-Ⅰ截面到Ⅱ-Ⅱ截面的動(dòng)壓增量；三是克服煙道內(nèi)各種局部阻力和摩擦阻力。只要煙囪底部所形成的負(fù)壓之值(絕對(duì)值)大于等于以上三項(xiàng)之和，煙氣就能順利地從爐尾經(jīng)煙道流到煙囪底部，然后在煙氣幾何壓頭的作用下排出煙囪。第二節(jié)煙囪38第二節(jié)煙囪

二、煙囪計(jì)算煙囪計(jì)算有兩種情況，一是設(shè)計(jì)計(jì)算，二是校核計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算就是根據(jù)已知的煙氣流量、溫度及煙道的各種阻力，新設(shè)計(jì)一個(gè)煙囪，確定它的直徑和高度。校核計(jì)算就是對(duì)已建成的煙囪，計(jì)算其底部的抽力，核算它能否滿足爐子的排煙要求。下面主要介紹煙囪的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1.煙囪直徑(內(nèi)徑)的計(jì)算對(duì)于圓形截面的煙囪，其頂部出口直徑d３為(10-16)式中A３—煙囪頂部出口截面積，米2。第二節(jié)煙囪二、煙囪計(jì)算39第二節(jié)煙囪式中Q0—煙囪排煙量，標(biāo)米3/小時(shí)；

u03—煙囪頂部煙氣出口流速，標(biāo)米/秒。一般取u03=2.5～4.0標(biāo)米/秒，u03過大則會(huì)使煙囪內(nèi)的摩阻增大；u03過小則容易在煙囪頂部產(chǎn)生倒風(fēng)現(xiàn)象；如果煙囪出口煙氣流速小于當(dāng)?shù)仫L(fēng)速，煙氣還會(huì)產(chǎn)生下降渦流而急劇降落在附近地面污染環(huán)境。因此在大風(fēng)地區(qū)煙囪出口煙氣流速應(yīng)視當(dāng)?shù)仫L(fēng)速而定。對(duì)于砌磚和混凝土煙囪，為便于施工，d3一般不應(yīng)小于0.8米。

煙囪的底部直徑一般取為頂部直徑的1.3～1.5倍，即

d2=(1.3～1.5)d3(10-17)第二節(jié)煙囪40第二節(jié)煙囪也可根據(jù)煙囪的錐度(1∶100)來確定煙囪底部直徑d2，即

d2=0.02H′+d3

(10-18)式中H′為煙囪的近似高度，可按下述公式估算

H′=(25～30)d3(10-19)或H′=3/20H抽(米)(10-20)式中H抽為煙囪底部所需要的抽力，單位為帕。如果最后計(jì)算出的煙囪高度H與按上述公式估算的煙囪高度H′相差不大，則上述近似計(jì)算符合要求，否則需重新假設(shè)，再行計(jì)算。

2.煙囪高度的計(jì)算將式(10-14)與式(10-15)聯(lián)立，或者直接列Ⅰ-Ⅰ至Ⅲ-Ⅲ截面(如圖10-4)的伯努利方程，得第二節(jié)煙囪也可根據(jù)煙囪的錐度(1∶100)來41第二節(jié)煙囪煙囪內(nèi)的摩擦損失，代入上式整理得(10-21)式中H——煙囪的高度，米；

(γa－γg1)H1—爐尾豎直煙道內(nèi)煙氣的幾何壓頭(相對(duì)位壓)增量，帕；

—煙氣自爐尾流至煙囪出口所產(chǎn)生的動(dòng)壓第二節(jié)煙囪42第二節(jié)煙囪增量，帕；

Δpw1-2—煙氣由爐尾到煙囪底部所造成的總壓力損失，帕；

(γa－γgj)—每米煙囪的幾何壓頭(相對(duì)位壓)增量，帕/米；

—每米煙囪所造成的摩擦損失，帕/米，其中λ為煙囪內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)，一般取λ=0.05；dj為煙囪的平均直徑(內(nèi)徑)，dj=(d2＋d3)/2，米；uj為煙囪內(nèi)煙氣的平均流速，米/秒；γgj為煙囪內(nèi)煙氣在平均溫度下的重度，牛頓/米3。應(yīng)該注意，煙氣在煙道和煙囪內(nèi)流動(dòng)時(shí)溫度是不斷地變化的，要計(jì)算某處煙氣的動(dòng)壓時(shí)，就必須已知該處煙氣的溫第二節(jié)煙囪增量，帕；43第二節(jié)煙囪度。一般煙氣的出爐溫度是已知的，只要知道煙道或煙囪內(nèi)的溫度降低幅度，就可用下式計(jì)算煙道或煙囪內(nèi)各處的溫度

tb=ta-ktl(10-22)式中：ta—煙道內(nèi)a處的煙氣溫度，℃；

tb—煙道內(nèi)a處下游b處的煙氣溫度，℃；

l—煙道內(nèi)a到b之間的距離，米；

kt—煙氣每米溫度降。煙氣在煙道內(nèi)的溫度降與煙氣的溫度和煙道狀況有關(guān)，表10-2列出了每米煙道溫度降落的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于煙囪來說，每米的溫度降為：磚砌煙囪kt=1～1.5℃/米，不襯磚的金屬煙囪kt=3～4℃/米，有襯磚的金屬煙囪kt=2～2.5℃/米，混凝土煙囪kt=0.1～0.3℃/米。第二節(jié)煙囪度。一般煙氣的出爐溫度是已知的，只44第二節(jié)煙囪如果排煙煙道阻力所造成的壓力損失和壓頭轉(zhuǎn)換所消耗的能量已經(jīng)計(jì)算出來，即煙囪底部所需要的抽力H抽=－pm2為已知時(shí)，煙囪高度可按式(10-14)進(jìn)行計(jì)算。將，代入式(10-14)得(10-23)第二節(jié)煙囪如果排煙煙道阻力所造成的壓45第二節(jié)煙囪

3.煙囪設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

(1)由煙囪的理論抽力公式(10-13)可以看出，在H抽=－pm2確定的情況下，煙囪的高度H與(γa－γg)成反比關(guān)系，因此，為了保證煙囪在任何季節(jié)里都有足夠的抽力而正常工作，在計(jì)算γa時(shí)應(yīng)當(dāng)以當(dāng)?shù)叵奶炜諝獾淖罡邷囟葹榛鶞?zhǔn)。

(2)為了使煙囪工作可靠，應(yīng)使煙囪有富余的排煙能力，在設(shè)計(jì)時(shí)，通常將煙囪所需要的抽力增加20～30%，操作時(shí)用煙道閘板來控制。

(3)當(dāng)幾座爐子共用一座煙囪時(shí)，煙囪直徑應(yīng)按幾座爐子的總煙氣量計(jì)算，煙囪高度應(yīng)按排煙煙道系統(tǒng)阻力損失最大的那座爐子進(jìn)行計(jì)算。第二節(jié)煙囪3.煙囪設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾46第二節(jié)煙囪

(4)為了減少煙塵對(duì)周圍環(huán)境的污染，在市區(qū)附近的爐子，煙囪高度應(yīng)高于周圍建筑物5米以上，一般不低于16米；在遠(yuǎn)郊或山區(qū)工廠的爐子，應(yīng)根據(jù)地形來確定煙囪的高度，防止過山氣流(過山風(fēng))的影響，避免煙囪頂部產(chǎn)生倒風(fēng)現(xiàn)象。(5)煙囪高度的確定還應(yīng)考慮毒氣對(duì)人、畜等的危害，如有色冶煉廠煙氣中含有SO2，N2O5，氟化物等有毒氣體，應(yīng)有較高的煙囪(一般不低于120米)，將有害氣體排至高空。第二節(jié)煙囪(4)為了減少煙塵對(duì)周圍環(huán)47第二節(jié)煙囪

三、分流定則在加熱爐的尾部多具有支煙道，同時(shí)在加熱爐的總煙道內(nèi)也多裝有各類余熱回收設(shè)備，而這些支煙道或余熱回收設(shè)備內(nèi)的通道往往是多排并列的，為了使這些通道內(nèi)煙氣流量分配合理，流速分布均勻，在布置時(shí)必須要遵循分流定則。圖10-5所示為一水平布置的并聯(lián)通道系統(tǒng)，列Ⅰ-Ⅰ截面至Ⅱ-Ⅱ截面的伯努利方程，或?qū)懗梢蛩讲贾玫牟⒙?lián)通道各支路的壓力損失都相等，因此第二節(jié)煙囪三、分流定則48第二節(jié)煙囪

圖10-5水平并聯(lián)通道

圖10-6垂直并聯(lián)通道第二節(jié)煙囪49第二節(jié)煙囪(10-24)式(10-24)與式(5-82)是完全一致的。如果水平并聯(lián)通道中熱氣體是作等溫流動(dòng)的，則各支路的流量分配與管徑的平方成正比，由式(10-24)計(jì)算可以得到(10-25)如果并聯(lián)的水平通道較長(zhǎng)，溫度降落較大，熱氣體作非等溫流動(dòng)，將

第二節(jié)煙囪50第二節(jié)煙囪代入式(10-24)，并注意到u0=4Q0/πd2，整理后得到(10-26)由式(10-26)可以看出，對(duì)于水平并聯(lián)的通道，熱氣體作非等溫流動(dòng)時(shí)，各支路的標(biāo)準(zhǔn)流量分配(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量)與管徑的平方成正比，與熱力學(xué)溫度的平方根成反比。式(10-25)和式(10-26)就是水平并聯(lián)通道內(nèi)熱氣體的分流定則。第二節(jié)煙囪代入式(10-24)，并注意到u051第二節(jié)煙囪如果將代入式(10-24)，并注意到u=4Q/πd2及重度γg與溫度T成反比的關(guān)系，經(jīng)過整理后，得到水平并聯(lián)通道內(nèi)熱氣體作非等溫流動(dòng)時(shí)，各支路的實(shí)際流量分配(實(shí)際狀態(tài)下的體積流)與管徑和溫度的關(guān)系為(10-27)若通道的截面是非圓形截面，以上各式中直徑比的平方(da/db)2可換成截面積比Aa/Ab即可使用。第二節(jié)煙囪如果將52第二節(jié)煙囪對(duì)于垂直布置的并聯(lián)通道系統(tǒng)，如圖10-6所示，其分流流動(dòng)情況比水平布置的并聯(lián)通道的流動(dòng)情況復(fù)雜。?、?Ⅱ截面所在的水平面為基準(zhǔn)面，列Ⅰ-Ⅰ截面和Ⅱ-Ⅱ截面間熱氣體流動(dòng)的伯努利方程：若熱氣體是自上而下的流動(dòng)，伯努利方程為上式簡(jiǎn)化為(10-28)若熱氣體是自下而上的流動(dòng)，伯努利方程為第二節(jié)煙囪對(duì)于垂直布置的并聯(lián)通道系統(tǒng)53第二節(jié)煙囪上式簡(jiǎn)化后為(10-29)由式(10-28)和(10-29)可以看出，熱氣體在垂直的通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，幾何壓頭的作用與氣流的方向有關(guān)。當(dāng)熱氣體自上而下流動(dòng)時(shí)，幾何壓頭將阻止氣體流動(dòng)；反之，當(dāng)熱氣體自下而上流動(dòng)時(shí)，幾何壓頭將幫助氣體流動(dòng)。由此可知，氣體在垂直布置的并聯(lián)通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，各支路中流量合理分配的條件是：氣體自上而下流動(dòng)時(shí)

Δpwa＋(γa－γga)H=Δpwb＋(γa－γgb)H(10-30)氣體自下而上流動(dòng)時(shí)

Δpwa－(γa－γga)H=Δpwb－(γa－γgb)H(10-31)第二節(jié)煙囪上