冶金爐熱工基礎課件

氣體力學原理

目前大部分冶金爐（除電爐外）熱能的主要來源是靠燃燒燃料來供給的。燃料燃燒需要供入爐內大量空氣，并在爐內產生大量的爐氣。高溫的爐氣是傳熱的介質，當它將大部分熱能傳給被加熱的物料以后就從爐內排出。如果排出的爐氣溫度較高，還可用廢熱回收裝置再收回部分熱能然后再經過排氣裝置排入大氣。12

因此，根據爐子的生產要求正確地向爐內供氣，合理地組織爐內氣體運動，根據爐子生產的需要及時地將爐內產生的爐氣排出，是組織好爐子生產的極重要環(huán)節(jié)。

氣體在爐內的流動，根據流動產生的原因不同，可分為兩種：一種叫自由流動，一種叫強制流動。

爐內氣體的運動，對爐子的產量、產品質量、生產成本、爐子壽命、安全操作等方面都有直接影響。3自由流動：由于溫度不同所引起各部分氣體密度差而產生的。如室內空氣的流動。強制流動：由于外界的機械作用而引起的氣體流動。如鼓風機鼓風產生的壓力差。

引起自由和強制流動的許多原因合在一起，就決定了爐內氣體流動的性質。1.1氣體的主要物理性質和氣體平衡方程式1.1.1氣體的主要物理性能4

一切物體都是由許多永不停止的作無規(guī)則運動的微粒——“分子”所組成。分子的無規(guī)則運動與溫度密切相關，因此，稱為分子的熱運動。

分子間的空隙不同，則分子間的作用力和分子熱運動的情況不同，各種物體的性質也不同。氣體與液體的共同性：由于液體和氣體具有流動性，因而它們能將自身重力和所受的外力按原來的大小向各個方向傳遞。5

液體和氣體，由于分子間的空隙比固體大，它們都不能保持一定的形狀，因而具有固體所沒有的一種性質——流動性。因此，常將液體和氣體稱為流體。6氣體和液體的不同特性：⑴在一般情況下，液體的體積和密度隨溫度和壓力的變化量很小，所以，常認為液體是不可壓縮性流體(或稱非彈性流體)；氣體的體積和密度通常隨溫度和壓力的變化較大，所以，常認為氣體是可壓縮性流體（或稱彈性流體）。在研究氣體運動時，應注意：氣體的體積和密度隨溫度和壓力的變化，此為氣體區(qū)別于液體的一個顯著特性。⑵液體的密度較大(如每m3水的質量為1000千克)，所以液體在流動過程中基本不受周圍大氣的影響；氣體的密度較小(如每m3煙氣的質量為1.3千克)，而且與空氣的密度相近(每m3空氣的質量為1.293千克)，所以氣體在流動過程中受周圍大氣的影響。7

在研究氣體運動時，應考慮其與大氣的相互關系，此為氣體區(qū)別于液體的又一個顯著特性。8

在研究氣體運動時常遇到氣體的溫度、壓力、體積、密度等一些物理參數，這說明通過這些物理參數的變化反映了氣體物理性質常隨氣體的存在狀態(tài)而變化。因此，要了解氣體的性質，必須了解這些參數的物理意義及其影響因素。氣體的幾個物理參數：⑴氣體的溫度

氣體的溫度常用各種儀表來測量。要測出氣體的溫度，首先必須確定溫標。所謂溫標是指衡量溫度高低的標尺，它規(guī)定了溫度的起點（零點）和測量溫度的單位。目前國際上常用的溫標有攝氏溫標和絕對溫標兩種：910a、攝氏溫標：又名百度溫標，是我國使用最廣泛的一種溫標。規(guī)定：在標準大氣壓下（760mmHg），把純水的冰點定為零度，沸點定為100度，在冰點與沸點之間等分為100個分格，每一格的刻度就是攝氏溫度1度，用符號t表示，其單位符號為℃。本書都采取攝氏溫度（℃），作為溫度的單位。11b、絕對溫標：即熱力學溫標，又名開爾文溫標，用符號T表示，單位符號為K。規(guī)定：以氣體分子熱運動平均動能超于零的溫度為起點，定為0K，井以水的三相點溫度為基本定點，定為273.16K，于是1K就是水三相點熱力學溫度的。12

絕對溫標lK與攝氏溫標l℃的間隔是完全相同的。在一個標準大氣壓下，純水冰點的熱力學溫度為273.15K，它比水的三相點熱力學溫度低0.01K，水的沸點為373.15K。絕對溫標與攝氏溫標的關系：

K＝273.15+tK在不需要精確計算的情況下，可以近似地認為：

T＝273+tK13

氣體在運動過程中有溫度變化時，氣體的平均溫度常取為氣體的始端溫度t1和終端溫度t2的算術平均值，即：

⑵氣體的壓力

a、定義：

由于氣體自身的重力作用和氣體內部的分子運動作用，氣體內部都具有一定的對外作用力，這個力稱為氣體的壓力。

氣體壓力是氣體的一種內力，表示氣體對外作用力大小的一個物理參數。14

b、壓力的單位在工程單位制即米制中，氣體的壓力大小有以下三種表示方法：①以單位面積上所受的作用力來表示，例如：公斤/cm2(kgf/cm2）或公斤/m2(kgf/m2)。

物理學上常把單位面積上氣體的對外作用力稱為壓強，工程上卻常把壓強簡稱為壓力。冶金爐上所說的壓力也是指單位面積上氣體的對外作用力，亦即在物理意義上相當于物理學上的壓強。15③用大氣壓來表示：地球表面包圍著一層厚達幾百公里的大氣層，大氣重量對地球表面上所造成的壓力稱為大氣壓力，常用單位是mmHg。大氣壓力的數值隨著所在地區(qū)海拔高度的升高而降低，也就是說，海拔越高，空氣越稀薄，大氣壓力也就越低。在同一地區(qū)，大氣壓力的數值也因季節(jié)、晴雨等氣候變化而稍有差異。②用液柱高度來表示：例如米水柱(mH2O)、毫米水柱

(mmH2O)和毫米汞柱(mmHg)。16

國際上規(guī)定：將緯度45°海平面上測得的全年平均大氣壓力760mmHg定為一個標準大氣壓，或者稱為物理大氣壓，它與其它壓力單位的換算關系是：

1標準大氣壓(atm)=760mmHg=1.0332kgf/cm2

=10332kgf/m2=10332mmH2O17

工程上為了計算方便，規(guī)定1kgf/cm2作為一個工程大氣壓，簡稱工程大氣壓(at)，則：1工程大氣壓(at)＝1kgf/cm2=10000kgf/m2=10mH2O=10000mmH2O=735.6mmHg由此可得：lmmH2O=1kgf/m2lmmHg=13.6mmH2O

應當注意:“標準大氣壓”和“工程大氣壓”都是壓力的計量單位，不要與所在地區(qū)的實際大氣壓相混淆。18

a、在高壓容器中，氣體的壓力相當高，往往是幾倍或幾十倍于大氣壓的，因此，對這些設備中氣體的壓力計量單位通常用工程大氣壓表示。b、通風機的送風壓力、風道和煙道中氣體的壓力較小，通常用毫米水柱表示。在實際工程中提到的大氣壓，除了特別注明是物理大氣壓外，一般都是指工程大氣壓。19

在國際單位制中，壓力的單位是帕斯卡，簡稱帕，其代號為Pa。l帕斯卡是指1m2表面上作用1牛頓（N）的力，即：

1Pa=lN/m21kPa=1000N/m21MPa=106N/m2

米制與國際單位制壓力換算關系如下：

1標準大氣壓=1.0332kgf/cm2=101325Pa1工程大氣壓=l.0kgf/cm2=98060Pa1mH2O=9806.6Pa=9.8066kPa1mmH2O=9.8086Pa≈9.81Pa20c、氣體的壓力與溫度的關系實驗研究指出：當一定質量的氣體其體積保持不變（即等容過程）時，氣體的壓力隨溫度呈直線變化，即:Pt=Po（l+βt）式中：Pt、Po——分別為t℃和0℃時氣體的壓力；

β——體積不變時氣體的壓力溫度系數。根據實驗測定，一切氣體的壓力溫度系數都近似地

等于:21d、絕對壓力和表壓力氣體的壓力有絕對壓力和表壓力兩種表示方法。以真空為起點所計算的氣體壓力稱為絕對壓力，用符號表示。通常所說的標準大氣壓（大氣壓力為101325Pa）和實際大氣壓（該地該時的實際大氣壓）都是指大氣的絕對壓力。

22表壓力和絕對壓力的關系為：

設備內氣體的絕對壓力與設備外相同高度的實際大氣壓的差稱為氣體的表壓力，用符號表示。23式中：——設備內氣體的絕對壓力；——設備外同高度的實際大氣壓；——設備內氣體的表壓力。⑴當氣體的表壓為正值時，稱此氣體的表壓為正壓;⑵當氣體的表壓為負值時，稱此氣體的表壓為負壓，負壓那部分的數值，稱為真空度;⑶當氣體的表壓為零值時，稱此氣體的表壓為零壓。具有零壓的面常稱為零壓面。2425⑶氣體的體積

氣體的體積：表示氣體所占據的空間大小的物理參數。

冶金爐內常以每千克質量氣體所具有的體積表示氣體體積的大小。

氣體的比容：每千克氣體具有的體積，用符號ν表示，單位是m3/kg。

氣體體積隨溫度和壓力的不同有較大的變化，這是氣體區(qū)別于液體的特點之一。26a、氣體體積與溫度關系

l千克質量的氣體，在恒壓條件下，其體積與其絕對溫度成正比，即:式中：

To——0℃時氣體的絕對溫度，K；

Tt——t℃時氣體的絕對溫度，K；

Vo——標準狀態(tài)下1千克氣體的體積，m3;Vt——壓力為101325Pa溫度為t℃時1千克氣體的體積，m3。

27

設V代表m千克質量氣體的體積，上式兩端同乘以m，則可得:

當壓力不變時，氣體的體積隨溫度升高而增大，隨溫度降低而減小。為了計算方便，上式可寫成：

式中常用符號β表示，稱為氣體的溫度膨脹系數。因此，上式可寫成m328b、氣體體積與壓力的關系

l千克質量的氣體，在恒溫條件下，其體積與其絕對壓力成反比，即：式中：

P1、P2、……P——相同溫度下氣體的各絕對壓力，Pa或N/m2；

v1、v2、……v——各相應壓力下氣體的比容，m3/kg。29同理：對m千克質量氣體可得:式中:V1、V2、……V——各相應壓力下m千克氣體的體積，m3。

結論：氣體的體積或比容隨氣體壓力的增大而降低，隨氣體壓力的降低而增大。30c、氣體的狀態(tài)方程式表明氣體的溫度、壓力、體積的綜合關系式稱為氣體的狀態(tài)方程式。對于1千克理想氣體的狀態(tài)方程式為：式中：T1、T2、……T——氣體的各絕對溫度，K；

P1、P2、……P——氣體的各絕對壓力，N/m2；

v1、v2、……v——氣體在各相應溫度和相應壓力下的比容，

m3/kg；

R——氣體常數，J/kg·K。31氣體常數R的單位：

國際單位制中，壓力的單位是Pa[N/m2]，比容的單位是[m3/kg]，溫度T的單位是[K]，功的單位是焦耳，用符號J表示，即1J＝1N·m，

∴32[例題1—1]若空氣在標準狀態(tài)時的比容為0.773m3/kg，求空氣的氣體常數R為多少?R的物理意義：1千克質量的氣體在定壓下，加熱升高l度時所做的膨脹功。33

如果氣體的質量不是l千克而是m千克，則可得到適用于m千克氣體的狀態(tài)方程式：

當已知P、V、T三個參數時，可按下式計算出氣體的質量m:34

在國際單位制中，1克分子量叫做1摩爾(mo1)，1千克分子量叫做1千摩爾（kmo1）。

例如氧氣（O2）的分子量是32，則32g氧稱為lmo1，32kg氧稱為1kmol。實驗證明：在標準狀態(tài)下，理想氣體的每千摩爾體積或稱千克分子體積都等于22.4標準m3，如以M表示氣體的分子量kg/kmo1，即：

Mvo=22.4m3/kmo1

35

對于1kmo1的氣體，可以寫出它的狀態(tài)方程式，即在氣體

狀態(tài)方程式各項分別乘以M:

將標準狀態(tài)下的壓力、溫度和摩爾體積數值代入上式中，得：

MR稱為通用氣體常數（或摩爾氣體常數），對于所有理想氣體，其數值都等于8314。36[例題1—2]某壓縮空氣貯氣罐，壓力表讀數為7氣壓(at)，溫度計讀數為25℃，貯氣罐的體積為3m3，當地大氣壓力取為l氣壓(at)，試求罐內空氣的重量。解：壓縮空氣的質量為：

則罐內空氣的重量為：

37[例題1—3]某封閉容器內貯有壓縮空氣，用壓力表測得：當大氣壓為745mmHg時，壓力表上讀數為2氣壓(at)；若大氣壓改變?yōu)?70mmHg時，壓力表上讀數為多少？38

解：由于大氣壓力改變時，容器內壓縮空氣的狀態(tài)沒有發(fā)生變化，即容器內空氣的絕對壓力P絕是個常數，僅僅是由于P大氣不同而使壓力表上的讀數發(fā)生變化?，F將P表1和P表2表示壓力表示值在變化前后的讀數，則：

39[例題1—4]

在一煤氣表上讀得煤氣的消耗量是683.7m3。在使用期間煤氣表的平均表壓力是44mmH2O，其溫度平均為17℃。大氣壓力平均為100249Pa。求：

(1)相當于消耗了多少標準m3的煤氣？

(2)如煤氣壓力降低至30mmH2O，問此時同一煤氣耗用量的讀數相當于多少標準m3？

(3)煤氣溫度變化時，對煤氣流量的測量有何影響？試以溫度變化30℃為例加以說明？40解：已知V1=683.7m3，P表1=44mmH2O，T1=17+273=290K，

P大氣=100249Pa

(1)(2)已知P表1=30mmH2O，T1=290K41(3)已知P表1=44mmH2O，T1=273+30=303K42(4)氣體的密度

單位體積氣體具有的質量稱為氣體的密度，用符號ρ表示，單位是kg/m3。氣體密度是表示氣體輕重程度的物理參數。

當氣體的質量為mkg，其標準狀態(tài)下的體積為Vom3時，則氣體在標準狀態(tài)下的密度ρo為：43

比容與密度互為倒數，即：

單位質量的氣體所占有的體積稱為氣體的比容，用符號ν表示，單位是m3/kg。44

冶金生產中常見的氣體（如煤氣、爐氣等）都是由幾種簡單氣體組成的混合氣體?；旌蠚怏w在標準狀態(tài)下的密度可用下式計算：式中：

ρ1、ρ2、……ρn——各組成物在標準態(tài)下的密度，

Kg/m3;a1、a2、……an——各組成物在混合氣體中的百分數，%。45[例題1—6]某煤氣的成分為：CO=27.4%；CO2=10%，

H2＝3.2%，N2=59.4%。試求此煤氣在標準狀態(tài)下的密度？解：

由表1—2中查得各組成物在標準狀態(tài)下的密度為：

ρCO=l.251kg/m3，ρCO2=l.997kg/m3，ρH2=0.0899kg/m3，

ρN2=l.251kg/m3。此煤氣在標準狀態(tài)下的密度為：46a、氣體密度隨溫度的變化前已指出：氣體的密度隨其溫度和壓力的不同而有較大的變化，此為氣體區(qū)別于液體的特性之一。下面分析這種變化。

在標準大氣壓時，氣體在t℃下的質量和體積分別為m和Vt時，則在t℃下氣體的密度為：注意：此式也可用于低壓氣體。

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對一定ρo的氣體而言，其密度ρt隨著本身溫度t的升高而降低。各種熱氣體的密度都小于常溫下大氣的密度，亦即設備內的熱氣體都輕于設備外的大氣。此為設備內熱氣體的一個重要特點。此特點對研究氣體基本方程有重要作用。b、氣體密度隨壓力的變化

在恒溫條件下的氣體密度與氣體絕對壓力的關系式：48式中：ρ1、ρ2、……ρ——在各相應壓力下的氣體密度，

kg/m3結論：氣體密度隨氣體絕對壓力的增加而增大，隨絕對壓力的降低而減小。c、氣體密度隨氣體溫度和壓力的變化

氣體密度隨溫度和壓力的變化關系式為：式中：ρ1、ρ2、……ρ——在各相應壓力和各相應溫度下的氣體密度，kg/m3。

49結論：氣體密度隨氣體溫度和氣體壓力的不同都發(fā)生變化。

氣體密度隨氣體壓力而變化的特性稱為氣體的可壓縮性。氣體都具有可壓縮性，此為氣體的特性之一。應當指出：冶金爐上的低壓氣體在流動過程中的壓力變化一般不超過9810Pa，在此壓力變化下的密度變化不超過10%。50

工程上常認為冶金爐上的低壓氣體屬于不可壓縮性氣體。對被認為是不可壓縮性氣體的低壓氣體而言，氣體密度不隨壓力而變，氣體密度只隨溫度而變化。

但是冶金爐上的高壓氣體在流動過程中的壓力變化常超過9810Pa，在此壓力變化下的密度變化較大，因此，這些氣體仍屬于可壓縮性氣體。對于可壓縮性氣體而言，氣體密度同時隨氣體溫度和氣體壓力按下式的關系而變化。51[例題1—6]某氣罐內壓縮空氣的表壓為7大氣壓（at），實際溫度為80℃。當實際大氣壓為1大氣壓（at）時，此壓縮空氣的實際密度為多少？解：壓縮空氣的絕對壓力：

P絕＝P表+P大氣=7+1=8at=784800Pa

絕對溫度:T=273+t=273+30=303K

壓縮空氣在實際溫度和實際壓力下的密度為:52

單位體積氣體具有的重量稱為氣體的重度，用符號表示，單位是N/m3。它是表示氣體輕重程度的物理參數。當氣體重量為G牛頓，在標準狀態(tài)下的體積為Vom3

，則此氣體在標準狀態(tài)下的重度γo為：(5)氣體的重度53

當重力加速度g＝9.8m/s時，氣體的重量G(N)與氣體的質量m(kg/m3)間存在如下的關系：

G=mgN

氣體在標準狀態(tài)下密度和重度的關系為：1.1.2阿基米德原理

對固體和液體而言，阿基米德原理的內容可表達如下：固體在液體中所受的浮力，等于所排開同體積該液體的重量。54此原理同樣亦適用于氣體。55

熱氣在空氣中的重力應為：G氣-G空同體積空氣的重量為：G氣=Hfgρ

設有一個倒置的容器，如圖1—3所示，高為H，截面積為f，容器內盛滿熱氣(密度為ρ)，四周皆為冷空氣(密度為ρ′)，熱氣的重量為：56

若上式之兩邊各除以f，則單位面積上的氣柱所具有的上升力可寫成下面的形式：上式說明：單位面積上氣柱所具有的上升力決定于氣柱之高度和冷、熱氣體的密度差。

∵ρ小于ρ′，∴熱氣在空氣中的重力必是負值，

也就是說熱氣在冷氣中實際上具有一種上升力。1.1.3氣體平衡方程式氣體平衡方程式是研究靜止氣體的壓力變化規(guī)律的方程式。57

自然界內不存在絕對靜止的氣體。但是可認為某些氣體（如大氣、煤氣罐內的煤氣、爐內非流動方向上的氣體等）是處于相對靜止狀態(tài)。

下面分析相對靜止氣體的壓力變化規(guī)律。58l、氣體絕對壓力的變化規(guī)律

如圖1—4所示，在靜止的大氣中取一個底面積為f平方米、高度為H米的長方體氣柱。如果氣體處于靜止狀態(tài)，則此氣柱的水平方向和垂直方向的力都應該分別處于平衡狀態(tài)。59

在水平方向上，氣柱只受到其外部大氣的壓力作用，氣柱在同一水平面上受到的是大小相等，方向相反的壓力。這些互相抵消的壓力使氣柱在水平方向上保持力的平衡而處于靜止狀態(tài)。

在垂直方向上，氣柱受到三個力的作用：（1）向上的I面處大氣的總壓力P1f，N；（2）向下的Ⅱ面處大氣的總壓力P2f，N；（3）向下的氣柱總重量G=Hfgρ，N。60

氣體靜止時，這些力應保持平衡，即：

P1f=P2f+Hfgρ

當f=lm2時，則得：P1=P2+Hgρ(1)注：(1)式為氣體絕對壓力變化規(guī)律的氣體平衡方程式。式中：

P1——氣體下部的絕對壓力，Pa；

P2——氣體上部的絕對壓力，Pa；

H——P1面和P2面間的高度差，m；

ρ——氣體的密度，

kg/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2。61

上式說明：靜止氣體沿高度方向上絕對壓力的變化規(guī)律是下部氣體的絕對壓力大于上部氣體的絕對壓力，上下兩點間的絕對壓力差等于此兩點間的高度差乘以氣體在實際狀態(tài)下的平均密度與重力加速度之積。

不僅適用于大氣，而且適用于任何靜止氣體或液體。氣體平衡方程式適用范圍：62[例題1—7]某地平面為標準大氣壓。當該處平均氣溫為20℃，大氣密度均勻一致時，距地平面100m的空中的實際大氣壓為多少？解：可認為大氣為不可壓縮性氣體時，則大氣的實際密度為：則100米處的實際大氣壓為：P2=P1—Hgρ=101325－100×9.81×1.21=100138Pa計算表明：空中的大氣壓低于地面的大氣壓，高山頂上的氣壓低即為此道理。632、氣體表壓力的變化規(guī)律

下面分析靜止氣體內表壓力沿高度方向上的變化關系。

如圖1—5所示：爐內是實際密度為ρ的靜止爐氣，爐外是實際密度為ρ′的大氣。爐氣在各面處的絕對壓力分別為P1、P2和Po，表壓力分別為P表1、P表2和P表o。64爐氣在I面和Ⅱ面處的表壓力分別為：則I面與Ⅱ面的表壓差應為：I面和Ⅱ面處大氣的絕對壓力差為：I面和Ⅱ面處爐氣的絕對壓力差為：P2—P1=—Hgρ65經過綜合計算，則得：

或

式中：

P表2——上部爐氣的表壓力，Pa；

P表1——下部爐氣的表壓力，Pa；

ρ′——大氣的實際密度，kg/rn3；

H——兩點間的高度差，m。

上式是氣體平衡方程式的又一種形式。此式適用于任何與大氣同時存在的靜止氣體。66氣體平衡方程式表明：當氣體密度ρ小于大氣密度ρ′（熱氣體皆如此）時，靜止氣體沿高度方向上，表壓力的變化是上部氣體的表壓力大于下部氣體的表壓力，上下兩點間的表壓差等于此兩點間的高度差乘以大氣與氣體的實際密度差與重力加速度之積。此兩點間的表壓差等于氣柱的上升力。由圖1—5看出：如果爐門中心線的0面處的爐氣表壓力為零（生產中常這樣控制），則I面和Ⅱ面的表壓力分別為：67

如果爐內是高溫的熱氣體，其實際密度ρ小于大氣密度ρ′，則由上式不難看出：⑴零壓面以上各點的表壓力P表2為正壓，當該點有孔洞時，會發(fā)生爐氣向大氣中的溢氣現象；⑵零壓面以下各點的表壓力P表1為負壓，當該點有孔洞存在時，會發(fā)生將大氣吸入的吸氣現象。

這個規(guī)律存在于任何與大氣同時存在的密度小于大氣的靜止氣體中。爐墻的縫隙處經常向外冒火，煙道和煙囪的縫隙處經常吸入冷風就是這個規(guī)律的具體表現。68[例題1—8]某加熱爐爐氣溫度為1300℃，

由燃燒計算得知該爐氣在標準狀態(tài)下的密度為ρo=1.3kg/m3。車間溫度為15℃。零壓線在爐底水平面上。求爐底以上1米高度處的爐膛壓力（指表壓ΔP值）是多少？解：爐氣密度：

空氣密度：

把基準面取在爐底水平面上，則1米高度處的爐膛壓力為：691.2氣體流動的動力學1.2.1流體流動的狀態(tài)l、氣體的粘性在氣體運動過程中，由于其內部質點間的運動速度不同，會產生摩擦力。

例如，當氣體在管道中流動時，一方面氣體與管壁之間發(fā)生摩擦（此種摩擦稱為外摩擦）。另一方面，由于氣體分子間的距離大，相互吸引力小，緊貼管壁的氣體質點因其與管壁的附著力大于氣體分子間的相互吸引力，其運動速度小。而離管壁愈遠，則運動速度愈大，這樣就引起管內各層氣流間的速度不同，就為氣體內部產生內摩擦力提供了先決條件。70

氣體內摩擦力的產生，是由于氣體分子間的距離大，相互吸力小的原因，導致分子熱運動較顯著。當各層氣流間的速度不同時，氣體分子會由一層跑到另一層，流速較快的氣體分子會進入流速較慢的氣層，流速較慢的氣體分子也會進入流速較快的氣層。這樣，流速不同的相鄰氣層間就會發(fā)生能量（動量）交換，較快的一層將顯示一種力帶動較慢的一層向前移動，較慢的一層則顯示出一個大小相等方向相反的力阻止較快的一層前進。體現在氣體流動時使兩相鄰氣層的流速趨向一致，且大小相等方向相反的力，稱為內摩擦力或粘性力。

氣體作相對運動時產生內摩擦力的這種性質稱為氣體的內摩擦或粘性。71

氣層間的分子引力也能阻止氣層作相對移動，只是由于氣體分子間的相互吸引力小，這種作用不顯著。

因此，對氣體來說，分子熱運動所引起的分子摻混是氣體粘性產生的主要根據；液體分子間距離小，分子引力大，粘性力主要由分子引力所產生。

實驗證實：氣體的粘性力F粘正比于相鄰兩層氣體之間的接觸面積f以及垂直于粘性力方向的速度梯度(如圖1—6所示）。寫成等式得到：72式中：

F粘——粘性力，N；

μ——粘性系數或粘度，由上式可導出粘度的單位為：

因為μ具有動力學的量綱，故又稱為動力粘度。2.理想流體與實際流體設粘性為零的流體叫理想流體。實際上流體或多或少都具有一定的粘性，這種有粘性的流體叫做實際流體。分析流體運動時，假設流體沒有粘性，把它看成理想流體來處理。733.穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動

所謂穩(wěn)定流動指的是流體中任意一點上的物理量不隨時間改變的流動過程。若用數學語言表示為：式中：

u——流體的某一物理量；

τ——時間。若，即隨時間變化，則稱為不穩(wěn)定流動。在氣體力學中，主要討論氣體在穩(wěn)定流動條件下的運動。744.管內流型及雷諾數

由實驗可知：氣體在流動時有兩種截然不同的流動情況，即層流和紊流。

A、層流

當氣體流速較小時，各氣體質點平行流動，此種流動稱為層流。75

由于氣體在管道中流動時，管壁表面對氣體有吸附和摩擦作用，管壁上總附有一層薄的氣體，此種氣體稱為邊界層。當管內氣體為層流時，此邊界層氣體不流動，它對管內氣體產生阻礙作用，距離邊界層越近，這種阻礙作用越大。對層流來說，由于氣體質點沒有徑向的運動，這種阻礙作用越顯著。因此，在層流情況下管道內氣流速度是按拋物線分布的。其特點如下：76B、

紊流

當氣流速度較大時，各氣流質點不僅沿著氣流前進方向流動，而且在各個方向作無規(guī)則的雜亂曲線運動，通常稱為紊流。在紊流情況下主流內形成許多細小的旋渦，故又稱渦流。

由于紊流時，氣體質點有橫向流動，邊界層不再是靜止狀態(tài)，而是層流狀態(tài)，對中心氣流速度的影響也較小，因此，管內的氣流速度分布較均勻。77C、流型的判別和雷諾數的意義紊流的形成與下列因素有關：氣流速度(ωt)：ωt越大，越易形成紊流；氣體密度(ρt)：ρt愈大，氣體質點橫向運動的慣性愈大，愈易形成紊流；(3)管道直徑(d)：d愈大，管壁對中心氣流的摩擦作用愈小，愈易形成紊流；(4)氣體粘性(μt)：μt愈小，產生的內摩擦力愈小，愈易形成紊流。78氣體在管道內的流動情況決定于下列數值：

或式中：Re——雷諾準數(簡稱雷諾數)，無因次；ωt——氣體溫度為t℃時流過橫截面的平均速度，m/s；ρt——氣體溫度為t℃時的密度，kg/m3；μt——氣體溫度為t℃時的粘度系數，Ns/m2;79νt——氣體溫度為t℃時的動粘度系數，m2/s；

d當——當量直徑，m。對于圓形管道，d當即管道直徑；當管道不是圓形時，當量直徑的求法為：

實驗證明：當氣體在光滑管道中流動時，Re<2300時為層流；Re>10000時為紊流；2300<Re<10000時為過渡區(qū)。80

在冶金生產中實際遇到的氣體流動絕大多數是紊流，層流只在很少的情況下才能遇到。

Re=2300為氣體在光滑直管道中流動時由層流向紊流轉化的綜合條件。這種由層流向紊流轉化時的雷諾數稱臨界雷諾數，常用Re臨表示。Re臨就是判斷氣體流動狀態(tài)的標志。

在過渡區(qū)內，可能呈現層流，但更可能呈現紊流。

81D、邊界層概念邊界層又稱附面層，它指的是流動著的粘性氣體(或液體)與固體表面接觸時，由于流層與壁面的摩擦作用便在固體表面附近形成速度變化的區(qū)域。圖1—8氣體流經平板時層流性和紊流性邊界層的形成圖及速度分布82

氣體的原有流速為ωo。當氣體與和氣流平行的固體表面相遇時，就在固體表面附近形成速度變化的區(qū)域，這種帶有速度變化區(qū)域的流層稱為邊界層。從圖1—8可以看到：當氣體剛剛接觸到固體表面前沿時，邊界層厚度δ界=0；沿著氣流方向前進，邊界層的厚度逐漸增加并具有層流特性，稱這種具有層流性質的邊界層為層流邊界層。它的徑向速度分布完全符合拋物線規(guī)律。83(2)當氣流流過一定距離后，邊界層內氣體流動的性質開始向紊流轉變并逐漸成為紊流邊界層。(3)從圖中可以看到：在紊流邊界層內靠近固體壁面邊沿處仍有薄薄的氣體流層保持著層流狀態(tài),，我們稱之為層流底層(層流內層)，把由層流邊界層開始轉變?yōu)槲闪鬟吔鐚拥牟课坏狡桨迨级说木嚯x稱為臨界距離，用X臨表示。

實驗指出：氣體的原有速度ωo愈大，則臨界距離X臨愈小。對于不同的氣體由層流邊界層向紊流邊界層過渡取決于X臨所對應得雷諾數。84

一般情況下可以認為Rex大于500000以后，層流邊界層才開始轉變?yōu)槲闪鬟吔鐚印?/p>

(4)由圖還可以看出：紊流邊界層厚度δ紊=δ渦+δ層，并且只有當X大于X臨時才能形成紊流邊界層。

流體在進入管道后便開始于管壁處形成邊界層，隨著流動的進程，邊界層逐漸加厚，經過一定距離后由于厚度的增加邊界層將由周圍淹沒到管道的軸線，這時邊界層就充滿了整個管道，如圖1—9所示。

8586

在邊界層沒有淹沒管道軸線以前，由于附面層厚度沿流動方向的增加，故截面上的速度分布是沿流向而變化的，在附面層淹沒管道軸線之后，即當X>Le時，管道中的速度分布就穩(wěn)定下來了。所以又把X臨=Le稱做穩(wěn)定段(或叫固定段)。對氣體在管道中的流動狀態(tài)可以這樣來理解：如果在附面層淹沒到管道軸線之前，附面層為層流附面層，則淹沒以后管道中的流體將繼續(xù)保持層流狀態(tài)的性質，如圖1—9所示；如果附面層在淹沒到管道軸線以前就已變成紊流附面層，則管內后段流體的流動性質將是紊流狀態(tài)的了。如圖1—10所示。871.2.2運動氣體的連續(xù)方程式

氣體連續(xù)方程式是研究運動氣體在運動過程中流量間關系的方程式。運動氣體的主要物理參數：1、流速和流量A、流速單位時間內氣體流動的距離稱為氣體的流速，用符號ω表示，單位是m/s。流速是表示氣體流動快慢的物理參數。

標準狀態(tài)下氣體的流速用ωo表示，單位仍是m/s。

88式中：ωo——標準狀態(tài)下氣體的流速,，m/s；

t——氣體的溫度,℃;ωt——10l325Pa，t℃時氣體的流速，m/s；

β——氣體溫度膨脹系數。B、流量單位時間內氣體流過某截面的數量稱為流量。流量是表示氣體流動數量多少的物理參數。

流速也隨氣體的壓力和溫度而變。恒壓下，流速隨溫度的變化關系為：89a、體積流量單位時間內氣體流過某截面的體積稱為體積流量，用符號V表示，單位為m3/s、m3/min或m3/h。標準狀態(tài)下氣體的體積流量用Vo表示。當氣體的流動截面為fm2，氣體在標準狀態(tài)下的流速為ωom/s時，則氣體在標準狀態(tài)下的體積流量為：

Vo=ωofm3/s

由式中看出：當生產要求的體積流量Vo和選取的經驗流速ωo

已知時，可根據公式確定氣體運動設備的流動截面f值，從而確定設備的流動直徑D值。90恒壓時體積流量隨溫度的變化關系為：或

或b、質量流量單位時間內氣體流過某截面的質量稱為質量流量，用符號M表示，單位是kg/s或kg/h。91質量等于體積乘以密度，因此可得：

Kg/s——適用于標準狀態(tài)下的氣體。或

kg/s——適用于任意狀態(tài)下的氣體。式中：M——氣體的質量，kg/s；f——氣體的流動截面，m2；ωo、ρo和Vo——標準狀態(tài)下氣體的流速(m/s)、密度(kg/m3)和體積流量(m3/s)；

ω、ρ和V——任意狀態(tài)下氣體的流速(m/s)、密度(kg/m3)和體積流量(m3/s)。應當指出：氣體的質量流量是不隨其溫度和壓力變化的。922、連續(xù)方程式

當氣體在管道中連續(xù)(即氣體充滿管道，管道不吸氣亦不漏氣)而穩(wěn)定流動時，氣體流過管道各截面的質量必相等。

如圖1—11中，氣體在管道內由截面Ⅰ向截面Ⅱ做穩(wěn)定流動，根據上述推論，則此兩截面上的質量流量應當相等，即：M1=M2或

V1ρ1=V2ρ2

93式中：

M1和M2——I面和Ⅱ面的質量流量，kg/s；

ρ1和p2——任意狀態(tài)下I面和Ⅱ面處的氣體密度，kg/m3；

ω1和ω2——任意狀態(tài)下I面和Ⅱ面處的氣體流速，m/s；

f1和f2——I面和Ⅱ面處流體的截面積，m2。

如果不僅是穩(wěn)定流動，而且氣體在流動過程中的密度保持不變，即ρ1=p2，則：V1=V294式中：V1和V2——流動時，密度不變的I面和Ⅱ面處的體積流量，

m3/s；

ω1和ω2——流動時，密度不變的I面和Ⅱ面處的氣體流速，

m/s；

f1和f2——1面和Ⅱ面處流體的截面積，m2。[例題1—9]

已知某爐子煤氣消耗量為7200標米3/小時，燃燒產物量為2.9標米3/標米3煤氣，廢氣流經煙道時的溫度為450℃，煙道截面積已知是1.2米2。求廢氣在煙道中的流速為多少?

95廢氣在煙道中的流速：在t=450℃時廢氣的體積流量:解:每秒的廢氣流量：1.2.3氣體的能量96

如圖1—13的管道內流動著穩(wěn)定流動的氣體，在此管道上任取一截面積為f的橫截面。下面研究此橫截面上氣體具有的能量。

在靠近f截面取一長為dl，體積為dV=fdl的微小氣塊。當dl極小時，此氣塊具有的能量即為f截面上氣體具有的能量。下面分析此氣塊即f截面上氣體具有的能量。971、位壓和位壓頭

當氣塊的質量、密度和距基準面的高度分別為m、ρ和H時，此氣塊具有的位能為：位能=mgH=ρdvgHNm單位體積氣體具有的位能稱為位壓。

氣塊亦即f面上氣體的位壓為：98

當氣體的密度ρ一定時，氣體各處的位壓僅隨該處距基準面的高度而變，若基準面取在下面，則愈上面氣體的位壓愈大，愈下面氣體的位壓愈小。

管內氣體位壓與管外同高度上大氣的位壓的差值，稱為管內氣體的相對位壓或簡稱位壓頭，用符號h位表示，單位是Pa。99

氣體的位壓頭是單位體積氣體所具有的相對位壓。當氣體的密度ρ小于大氣密度ρ′，即浮力大于氣體本身的重力時，這時位壓頭為負值，即位壓頭是一種促使氣體上升的能量。Pa

當管內氣體的位壓為Hgρ，管外同高度上大氣的位壓為Hgρ′時(ρ‘為大氣的密度)，則管內氣體的位壓頭為：1002、

靜壓和靜壓頭

為了使位壓頭得正值，常將基準面取在氣體的上面，因為基準面以下之高度為負值。

氣塊的f面積上受到其相鄰氣體的絕對壓力P的作用，而且f面積上所受的總壓力為Pf。此總壓力可能對氣塊作功而將氣塊壓扁，所作的最大功為Pfdl。事實上氣塊并未被壓扁。這樣，氣塊本身必然具有一個與外界可能作的最大功大小相等，方向相反的能量與之平衡。這個能量稱為氣體的壓力能。因此，氣塊的壓力能為：壓力能=pfdl=pdVNmPa101單位體積氣體具有的壓力能稱為靜壓。該氣塊亦即f面處氣體的靜壓為：結論：f面處氣體的靜壓在數值上即等于該處氣體的絕對壓力。靜壓頭：管道內氣體的靜壓與管道外同高度上大氣的靜壓之差值稱為相對靜壓或簡稱靜壓頭，用符號h靜表示，單位是Pa。102

當管道內氣體的靜壓為P，管道外同高度上大氣的靜壓為P時，則管道內氣體的靜壓頭為：結論：氣體的靜壓頭是單位體積氣體所具有的相對靜壓，其數值等于管道內外氣體所具有的相對壓力(即表壓力)。

氣體的靜壓與氣體的絕對壓力，二者的物理意義不同，二者在數值上相等，故?；煊?；同樣，氣體的靜壓頭與氣體的表壓力，二者的物理意義亦不同，但二者在數值上相等，故亦?；煊谩＿\動和靜止的氣體都具有靜壓頭。1033、動壓和動壓頭

運動的物體都具有動能。氣塊也具有動能。當氣塊的質量、流速、密度分別為m、ω、ρ時,則氣塊具有的動能為：

單位體積氣體具有的動能稱為動壓。因此，氣塊亦即f面處氣體的動壓為：104動壓頭：管道內氣體的動壓與管道外同高度上大氣的動壓之差值稱為相對動壓或簡稱動壓頭，用符號h動表示，單位是

Pa?；?054、柏努利方程式

柏努利方程式是研究氣體在運動過程中的能量變化規(guī)律的方程式。它是能量守恒定律在氣體力學中的具體應用。a、單種氣體的柏努利方程式⑴理想氣體的柏勢利方程式

理想氣體在流動過程中沒有摩擦力，所以在流動過程中不產生能量損失，此為理想氣體的特點。106

如果圖1—15的管道內流動著密度ρ不變的穩(wěn)定流動的理想氣體時，則：

假如氣體是由圖中的I面流向圖中的Ⅱ面，則對上式積分可得：107則得：或

上式說明：密度ρ不變的理想氣體在穩(wěn)定流動中各截面的單位體積氣體的總能量(即靜壓、位壓和動壓之和)相等。(b)108⑵實際氣體的柏努利方程式

自然界的氣體都屬于實際氣體。實際氣體在流動時各層之間以及氣體與管壁之間存在著摩擦力，因此，實際氣體在流動過程中有能量損失，如果用而h失表示實際氣體由任意截面I流至任意截面Ⅱ間的能量損失時，則截面I處氣體的總能量應等于截面Ⅱ處氣體的總能量加上兩面間的能量損失h失。此為實際氣體的一個特點。則穩(wěn)定流動的不可壓縮性的實際氣體的柏努利方程式如下：109

上式說明：低壓氣體在穩(wěn)定流動中，前一截面的總壓(靜壓、位壓、動壓之和)等于后一截面的總壓(靜壓、位壓、動壓、能量損失之和)。而各種能量間可相互轉變，各種能量都可直接或間接地消耗于能量損失，在能量轉變和能量損失過程中靜壓不斷變化。一般情況下，氣體在流動過程中其靜壓都有所降低。110

上式表明：氣體在流動過程中各壓頭間可相互轉變，各壓頭都可直接或間接地消耗于能量損失。在能量轉變和能量損失過程中靜壓頭發(fā)生變化。

實際生產中的多數氣體都處于大氣的包圍之中，大氣必然對氣體產生影響。根據能量守恒定律可知：當穩(wěn)定流動的不可壓縮性的低壓氣體由某截面I流向某截面Ⅱ時，I截面的總壓頭應等于Ⅱ截面的總壓頭加上I截面到Ⅱ截面間的總能量損失，即：(b)在大氣作用下的柏努利方程式1115、柏努利方程式和連續(xù)方程式應用實例

柏努利方程式和連續(xù)方程式聯立可解決生產中的很多實際問體，在冶金爐熱工操作和爐子設計中有更廣泛的應用。[例題1—10]有一水平熱風管見圖1—18，已知截面F1為0.3m2，

F2為0.5m2。管內熱空氣的平均溫度氣為300℃，空氣0℃時的密度ρ為l.29gkg/m3，0℃時的流量Vo為240m3/min。設截面F1處的靜壓頭為3924Pa，若不計流動過程中的壓頭損失，試求F2處的靜壓頭。112解:就F1與F2兩個截面，寫出柏努利方程式根據題意，對于水平管道若忽略溫度的變化，則h位1=h位2，此外，題假定h失=0，則上式可簡化為：113其中：

h靜1——已知為3924Pa；

h動1——按動壓頭公式計算：

ωol——在截面F1處0℃時的流速，由流量及截面積進行計算。式中：t——熱空氣溫度，已知為300℃；ρo——空氣在0℃時的密度，已知為1.29kg/m3；114則截面F2處的靜壓頭為：h靜2=3924+240-86.6=4077.4Pa115[例題1—11]有一截面逐漸收縮的水平管道，如圖所示，有氣體在其中流動。已知氣體的密度是l.2kg/m3，氣體表壓力在F1截面處是288.4Pa，F2截面處是96Pa。又知兩斷面的面積比，而F1為0.lm2，求氣體每小時流過的體積流量。解:根據題意，由于水平管道各截面上的位壓頭相等，故F1、F2兩截面之柏努利方程式為：116如果氣體的密度ρ不變，根據連續(xù)方程式F1ω1=F2ω2得：∴

ω2=2ω1

∴由題已知P1=288.4Pa；P2=96pa；ρ=1.2kg/m3，代入得：

氣體在F1面處每小時流過的體積流量為：117[例題1—12]某爐子所用冷卻水由水塔供應，其供應系統如圖

所示，當水塔內的水面上部(1點處)為1工程大氣壓；水管出口處(2點處)要求3工程大氣壓，水在管道內流動過程的總能量損失為h失=44145Pa。計算由水管流出的水量為多少m3/h?解:把基準面取在2點平面上，則1和2兩平面間的柏努利方程為：其中ω1≈0，所以ρ=1000kg/m3已知P1=98l00Pa；P2=294300Pa；h失=44145Pa；H1=25m。118水管出口處的流量為：換算為小時流量：V=0.099×3600=357m3/h

∴水管出水口處的流速為：1.3壓頭損失與氣體輸送119

實際氣體在流動過程中有能量損失，通常稱為壓頭損失(也稱為阻力損失)，用符號h失表示，單位是Pa。按其產生的原因不同，壓頭損失包括摩擦損失和局部損失兩類不同性質的損失。1201、摩擦阻力損失

實際氣體在管道中流動時，氣體內部及氣體與管壁間都發(fā)生摩擦而消耗能量。

因摩擦作用而引起的能量損失稱為摩擦阻力損失或稱摩擦壓頭損失，常用符號h摩表示。式中:

ξ——氣體摩擦阻力系數。L——管道的長度，m；D——管道的直徑或當量直徑，m；或Pa1212、局部阻力損失

氣體在管道中流動時，由于管道形狀改變(如突然擴張或突然收縮)和方向改變(如90°轉彎等)，氣體分子間的相互碰撞和氣體分子與氣壁間的碰撞而引起的壓頭損失，稱為局部阻力損失，常用符號h局表示。其計算公式：

Pa或：

K——局部阻力系數。式中：122A、突然擴張B、逐漸擴張C、突然收縮D、逐漸收縮E、氣流改變方向幾種常見的管道形狀和方向發(fā)生變化的例子

1233、負位壓頭引起的壓頭損失

熱氣體的位壓頭是一種促使氣體上升的力，當管道中的氣體是由下向上流動時，位壓頭是使氣體流動的一種動力。相反，當管道中的氣體由上向下流動時，位壓頭就成了氣體流動的一種阻力，這時的位壓頭稱負位壓頭，用符號h位負表示。這部分阻力損失應加入總阻力損失中。

在實際生產中，氣流經過由下向上和由上向下的管道長度相等，溫度相差不多時，正負位壓頭的數值可以相互抵消，不必計算位壓頭。如果不同則應分別計算，分別納入動力和阻力項目內。

必須指出：負位壓頭所引出的阻力，并不能轉化為熱，這與一般壓頭損失有本質區(qū)別，但必須有能量克服它，才能保證氣體流動。1244、氣體通過管束時的壓頭損失

當氣體流過一組與氣流前進方向垂直的管束時，其壓頭損失的大小，根據實驗可按下式計算：

Pa式中：

K——整個管束的阻力系數。當Re>5×104時，對于直通式的管束排列(圖1—31)，Κ之值為：125式中：

n——沿氣流方向的管子排數;s——沿氣流方向的管子中心距，m；

b——通道截面上管子中心距，m；α、β——實驗常數，126對于交錯式的管束排列：K錯=(0.7~0.8)K直5、氣體通過散料層的壓頭損失

塊狀或粒狀固體物料堆積組成的物料層叫作散料層。在散料層中，料塊之間形成不規(guī)則形狀的孔隙，氣體通過料層時發(fā)生摩擦和碰撞作用，因而消耗能量造成壓頭損失。

由于氣流在散料層中的流動比較復雜，計算其壓頭損失時需要考慮很多影響因素。工程上為了便于計算，常采用下面較簡單的實驗公式：

Pa127式中：

H——料層厚度，m；

d——料塊平均直徑，m；

ωo——標準狀態(tài)下，空截面氣流速度，m/s；

ρo——標準狀態(tài)下，氣體的密度，kg/m3；

ε——料層孔隙度，一般在0.4~0.5間變動，ρ料和ρ塊為料層(包括孔隙)與料塊的密度；

α——隨物料及流動性質而變的系數。128[例題1—13]如圖所示：計算煙氣從連續(xù)加熱爐尾部到煙囪底部沿途的壓頭損失(阻力)。已知條件：(1)標準狀態(tài)時煙氣流量Vo=1800m3/h；(2)煙氣離爐時溫度為650℃，煙氣在煙道中每米降溫平均為3℃；(3)標準狀態(tài)時煙氣密度ρo=l.3kg/m3，外界空氣密度(20℃時)ρo‘=l.2kg/m3；(4)圖中有關尺寸為：截面積F1=0.4m2，F2=0.4×0.5m2，F3=0.5m2，H=3.0m，L=20m，垂真煙道與水平煙道截面積相等，(5)煙道閘門的平均開啟度按80%計。129解:(1)爐尾90°轉彎的阻力h1：

Pa式中：Κ——對于90°直角轉變，根據

由表1—6查得(取中間值)為0.66；ω0——對應于K值，應為煙道內的流速，按煙氣流量及煙道截面積求出：

，為了便于以后的計算，先分別算出h局中的有關數值:130將以上各有關數值代入上式中，可求出爐尾90°轉彎的阻力為：h1=0.66×4.06×3.88=9.06Pa(2)垂直煙道到水平煙道90°轉彎的阻力h2，Κ——按90°直角轉彎前后截面積比等于1的條件，由表1—6查得，Κ=1.20；t——考慮煙道降溫，煙氣至煙道轉彎處的溫度應為：t=650—3×H=650—3×3=641℃131將各數值代入h局公式中，可求得：h2=1.2×4.06×3.35=16.32Pa(3)水平煙道至煙囪底90°轉彎的阻力h3Κ——根據，查得Κ=0.85；t——到煙囪底部轉彎處，煙氣溫度降，其值為：t=641—3×L=641—3×20=581℃132ωo——水平煙道內的流速，故的值未變。h3=0.85×4.06×3.13=10.8Pa(4)煙道內摩擦阻力h摩式中：

ζ——摩擦阻力系數，對于磚砌煙道，一般可取0.05；

L——煙道總長，L=3+20=23m；

D——當量直徑，則：133——按前面計算4.06；

t——煙道內煙氣的平均溫度，由煙氣始末端的溫度確定：℃將以上各值代入h摩公式中可得：134按局部阻力公式計算：(5)煙道閘門的阻力h閘Κ——根據煙道閘門開啟度80%的給定條件由附表1查得Κ=0.62；t——煙氣流至閘門處的溫度，設閘門安置于水平煙道的中部

t=641—3×10=611℃

ωo——按附表1中規(guī)定取煙道內流速，故仍為4.06。135將各值代入局部阻力公式中，可求得：h閘=0.62×4.06×3.24==8.16Pa(6)垂直煙道內負位壓頭阻力h負位垂直煙道內煙氣下降，負位壓頭給它的阻力按位壓頭公式計算：h負位=Hg(ρ′—ρ)式中：

H——煙氣下降的高度，題給為3m；ρ′——外界空氣的實際密度，已知為1.2kg/m3；

ρ——垂直煙道內煙氣的實際密度，136其中：t——垂直煙道內煙氣的平均溫度，應等于ρ0——煙氣0℃時的密度，已知為1.3；℃；將各值代入h負位式中，可求得：h負位=Hg(ρ'—ρ)=3×9.81(1.2—0.386)=23.96Pa

綜合以上計算，煙氣從爐尾到煙囪底部沿途的總阻力(壓頭損失)為：h總=9.06+16.32+10.8+34.2+8.16+28.96=102.5Pa1376、減少總壓頭損失的措施

設備的壓頭損失愈大，則此設備系統的動力設備的能力需要愈高，因此，減少設備的壓頭損失對生產有重要意義。減少壓頭損失可采取如下措施：A、選取適當的流速流速大時，h失亦相應增大。流速小時會造成設備斷面的過分增大，從而浪費較多的管道材料和占用較多的建筑空間。因此，設備內的流速應選得合適。138C、力求減少設備的局部變化設備的局部變化愈小，則設備的局部損失愈少，因此，應在滿足生產需要的條件下力求減少設備的局部變化。當必須有局部變化時，也應采用如下措施：a用斷面的逐漸變化代替斷面的突然變化可減少h局。b用圓滑轉彎代替直轉彎或用折轉彎代替直轉彎可減少h局。B、力求縮短設備長度設備長度愈大，則h摩愈大。因此，在滿足生產需要下應力求縮短設備長度。順便指出，使管壁光滑些可減少h摩。1.3.2煙囪排煙139

煙囪是應用較廣泛的排煙設備。煙囪的基本作用在于使一定流量的煙氣從煙道口經煙道流向煙囪底部并從煙囪內排向大氣空間。140

要使燃燒產物從爐內排出并送到大氣中去，必須克服氣體流動時所受的一系列阻力，如局部阻力、摩擦阻力及煙氣自身的浮力等。煙囪所以能夠克服這些阻力而將煙氣排出爐外，是因為煙囪底部熱氣體具有位壓頭，促使氣體向上流動，這樣煙囪底部就呈現負壓，而爐尾煙氣的壓力比煙囪底部壓力大，因而熱的煙氣會自爐尾流至煙囪底部，并經煙囪排至大氣中。1、煙囪的工作原理141

煙囪底部的負壓(抽力)是由煙囪中煙氣的位壓頭所造成的。但煙囪中煙氣的位壓頭并不是全部成為有用的抽力。而其中一部分還要提供給煙囪煙氣動壓頭的增量和克服煙囪本身對氣流的摩擦阻力，因此，煙囪的有效抽力為：142上式也可由煙囪底部I—I和頂部Ⅱ—Ⅱ兩端面間的柏努利方程式得到(參看圖1—35)。將基準面取在I—I面上，則：移項并將h摩代入得：143

因此，煙囪的抽力主要取決于位壓頭的大小，即主要取決于煙囪高度，煙氣溫度和空氣溫度。煙囪愈高，煙氣溫度愈高時，則抽力愈大，當空氣溫度愈高時，ρ′減小，抽力則減小。當其他條件不變時，夏