冶金炉热工基础课件

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1、冶 金 炉 热 工 基 础,山东工业职业学院 冶金学院,同学们好！现在我们学习气体力学原理,第一章 气体力学原理,目前大部分冶金炉（除电炉外）热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。 燃料燃烧需要供入炉内大量空气，并在炉内产生大量的炉气。 高温的炉气是传热的介质，当它将大部分热能传给被加热的物料以后就从炉内排出。如果排出的炉气温度较高，还可用废热回收装置再收回部分热能然后再经过排气装置排入大气。,因此，根据炉子的生产要求正确地向炉内供气，合理地组织炉内气体运动，根据炉子生产的需要及时地将炉内产生的炉气排出，是组织好炉子生产的极重要环节。,气体在炉内的流动，根据流动产生的原因不同，可分为两 种：一种

2、叫自由流动，一种叫强制流动。,炉内气体的运动，对炉子的产量、产品质量、生产成本、 炉子寿命、安全操作等方面都有直接影响。,自由流动：由于温度不同所引起各部分气体密度差而产生的。 如室内空气的流动。 强制流动：由于外界的机械作用而引起的气体流动。 如鼓风机鼓风产生的压力差。,引起自由和强制流动的许多原因合在一起，就决定了炉内气体流动的性质。,1.1 气体的主要物理性质和气体平衡方程式,1.1.1气体的主要物理性能,一切物体都是由许多永不停止的作无规则运动的微粒“分子”所组成。分子的无规则运动与温度密切相关，因此，称为分子的热运动。,分子间的空隙不同，则分子间的作用力和分子热运动的情况不同，各种物

3、体的性质也不同。,气体与液体的共同性： 由于液体和气体具有流动性，因而它们能将自身重力和 所受的外力按原来的大小向各个方向传递。,液体和气体，由于分子间的空隙比固体大，它们都不能保持 一定的形状，因而具有固体所没有的一种性质流动性。 因此，常将液体和气体称为流体。,气体和液体的不同特性： 在一般情况下，液体的体积和密度随温度和压力的变化量很 小，所以，常认为液体是不可压缩性流体(或称非弹性流体)； 气体的体积和密度通常随温度和压力的变化较大，所以，常认为气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。 在研究气体运动时，应注意： 气体的体积和密度随温度和压力的变化，此为气体区别于液体的一个显著特性。, 液

4、体的密度较大(如每m3水的质量为1000千克)， 所以液体在流动过程中基本不受周围大气的影响； 气体的密度较小(如每m3烟气的质量为1.3千克)， 而且与空气的密度相近(每m3空气的质量为1.293千克)，所以气体在流动过程中受周围大气的影响。,在研究气体运动时，应考虑其与大气的相互关系，此为气体区别于液体的又一个显著特性。,在研究气体运动时常遇到气体的温度、压力、体积、密度等 一些物理参数，这说明通过这些物理参数的变化反映了气体物理 性质常随气体的存在状态而变化。 因此，要了解气体的性质，必须了解这些参数的物理意义及 其影响因素。,气体的几个物理参数 ： 气体的温度 气体的温度常用各种仪表来

5、测量。 要测出气体的温度，首先必须确定温标。 所谓温标是指衡量温度高低的标尺，它规定了温度的起点（零点）和测量温度的单位。 目前国际上常用的温标有摄氏温标和绝对温标两种：,a、摄氏温标：又名百度温标，是我国使用最广泛的一种温标。 规定：在标准大气压下（760mmHg），把纯水的冰点定为零 度， 沸点定为100度，在冰点与沸点之间等分为100个分 格，每 一格的刻度就是摄氏温度1度，用符号t表示，其单 位符号 为。本书都采取摄氏温度（），作为温度的单 位。,b、绝对温标：即热力学温标，又名开尔文温标，用符号T表 示，单位符号为K。 规定：以气体分子热运动平均动能超于零的温度为起点，定为0 K，井

6、以水的三相点温度为基本定点，定为273.16K， 于是1 K就是水三相点热力学温度的。,绝对温标lK与摄氏温标l的间隔是完全相同的。在一个标准大气压下，纯水冰点的热力学温度为273.15K，它比水的三相点热力学温度低0.01 K，水的沸点为373.15K。 绝对温标与摄氏温标的关系： T273.15+ t K,在不需要精确计算的情况下，可以近似地认为： T273+t K,气体在运动过程中有温度变化时，气体的平均温度常取为气体 的始端温度t1和终端温度t2的算术平均值，即：, 气体的压力 a、定义： 由于气体自身的重力作用和气体内部的分子运动作用， 气体内部都具有一定的对外作用力，这个力称为气体

7、 的压力。,气体压力是气体的一种内力，表示气体对外作用力大小的一个物理 参数。,b、压力的单位 在工程单位制即米制中，气体的压力大小有以下三种表示方法： 以单位面积上所受的作用力来表示，例如： 公斤/cm2(kgf/cm2）或公斤/m2(kgf/m2)。,物理学上常把单位面积上气体的对外作用力称为压强，工程上却常把压强简称为压力。 冶金炉上所说的压力也是指单位面积上气体的对外作用力， 亦即在物理意义上相当于物理学上的压强。, 用大气压来表示： 地球表面包围着一层厚达几百公里的大气层，大气重量对地球表面上所造成的压力称为大气压力，常用单位是mmHg。 大气压力的数值随着所在地区海拔高度的升高而降

8、低，也就是说，海拔越高，空气越稀薄，大气压力也就越低。 在同一地区，大气压力的数值也因季节、晴雨等气候变化而稍有差异。,用液柱高度来表示：例如米水柱(mH2O)、毫米水柱 (mmH2O)和毫米汞柱(mmHg)。,国际上规定：将纬度45海平面上测得的全年平均大气压力760mmHg定为一个标准大气压，或者称为物理大气压，它与其它压力单位的换算关系是： 1标准大气压(a t m)=760mmHg=1.0332 kg f/cm2 =10332 kg f/m2=10332mmH2O,工程上为了计算方便，规定1kg f/cm2作为一个工程大气压，简称工程大气压(at)，则： 1工程大气压(at)1kgf/

9、cm2=10000kgf/m2=10mH2O =10000mmH2O=735.6mmHg 由此可得：lmmH2O=1kgf/m2 lmmHg =13.6 mmH2O,应当注意: “标准大气压”和“工程大气压”都是压力的计量单位，不要与所在地区的实际大气压相混淆。,a、在高压容器中，气体的压力相当高，往往是几倍或几十倍于 大气压的，因此，对这些设备中气体的压力计量单位通常用 工程大气压表示。 b、通风机的送风压力、风道和烟道中气体的压力较小，通常用 毫 米水柱表示。 在实际工程中提到的大气压，除了特别注明是物理大气压 外，一般都是指工程大气压。,在国际单位制中，压力的单位是帕斯卡，简称帕，其代号

10、为Pa。l帕斯卡是指1 m2表面上作用1牛顿（N）的力，即： 1Pa=l N/m2 1kPa=1000N/m2 1MPa=106N/m2,米制与国际单位制压力换算关系如下： 1标准大气压=1.0332 kg f/cm2=101325Pa 1工程大气压=l.0 kg f/cm2=98060Pa 1mH2O =9806.6Pa=9. 8066kPa 1mmH2O=9.8086Pa9.81 Pa,c、气体的压力与温度的关系 实验研究指出：当一定质量的气体其体积保持不变（即等容过程）时，气体的压力随温度呈直线变化，即: Pt = Po（l+t） 式中： Pt、Po分别为t和0时气体的压力； 体积不变时

11、气体的压力温度系数。根据实验 测 定，一切气体的压力温度系数都近似地 等于:,d、绝对 压力和表压力 气体的压力有绝对压力和表压力两种表示方法。 以真空为起点所计算的气体压力称为绝对压力，用符号 表示。 通常所说的标准大气压（大气压力为101325Pa）和实际大气压（该地该时的实际大气压）都是指大气的绝对压力。,表压力和绝对压力的关系为：,设备内气体的绝对压力与设备外相同高度的实际大气压 的差称为气体的表压力，用符号 表示。,式中： 设备内气体的绝对压力； 设备外同高度的实际大气压； 设备内气体的表压力。,当气体的表压为正值时，称此气体的表压为正压; 当气体的表压为负值时，称此气体的表压为负压

12、，负压那部分 的数值，称为真空度; 当气体的表压为零值时，称此气体的表压为零压。具有零压的 面常称为零压面。,气体的体积 气体的体积：表示气体所占据的空间大小的物理参数。 冶金炉内常以每千克质量气体所具有的体积表示气体体积的大小。 气体的比容：每千克气体具有的体积，用符号表示，单位是 m3/kg。,气体体积随温度和压力的不同有较大的变化，这是气体区别于液体的特点之一。,a、气体体积与温度关系 l千克质量的气体，在恒压条件下，其体积与其绝对温度成正比，即:,式中： To0时气体的绝对温度，K； Ttt时气体的绝对温度，K； Vo标准状态下1千克气体的体积，m3; Vt压力为101325Pa温度为

13、t时1千克气体的体积，m3。,设V代表m千克质量气体的体积，上式两端同乘以m，则可得:,当压力不变时，气体的体积随温度升高而增大，随温度降低而减小。为了计算方便，上式可写成：,式中 常用符号表示，称为气体的温度膨胀系数。因此，上式可写成,m3,b、气体体积与压力的关系 l千克质量的气体，在恒温条件下，其体积与其绝对压力成反比， 即 ：,式中： P1、P2、P相同温度下气体的各绝对压力，Pa或N/m2； v1、v2、v各相应压力下气体的比容，m3/kg。,同理：对m千克质量气体可得:,式中: V1、V2、V各相应压力下m千克气体的体积，m3。,结论：气体的体积或比容随气体压力的增大而降低，随气体

14、压 力的降低而增大。,c、气体的状态方程式 表明气体的温度、压力、体积的综合关系式称为气体的状态方程式。,对于1千克理想气体的状态方程式为：,式中： T1、T2、T气体的各绝对温度，K； P1、P2、P气体的各绝对压力，N/m2； v1、v2、v气体在各相应温度和相应压力下的比容， m3/kg； R气体常数，J/kgK。,气体常数R的单位：,国际单位制中，压力的单位是PaN/m2，比容的单位是m3/kg，温度T的单位是K，功的单位是焦耳，用符号J表示，即1 J1Nm，,例题11 若空气在标准状态时的比容为0.773m3/kg，求空气 的气体常数R 为多少?,R的物理意义：1千克质量的气体在定压

15、下，加热升高l度时所做 的膨胀功。,如果气体的质量不是l千克而是m千克，则可得到适用于m千克气体的状态方程式：,当已知P、V、T三个参数时，可按下式计算出气体的质量m:,在国际单位制中，1克分子量叫做1摩尔(mo1)，1千克分子量叫做1千摩尔（kmo1）。,例如氧气（O2）的分子量是32，则32g氧称为lmo1，32kg氧称为1 kmol。,实验证明：在标准状态下，理想气体的每千摩尔体积或称千克 分子体积都等于22.4标准m3，如以M表示气体的分 子量kg/kmo1，即： M vo= 22.4 m3/kmo1,对于1kmo1的气体，可以写出它的状态方程式，即在气体状态方程式各项分别乘以M: 将标准状态下的压力、温度和摩尔体积数值代入上式中，得：,MR称为通用气体常数（或摩尔气体常数），对于所有理想气体，其数值都等于8314。,例题12 某压缩空气贮气罐，压力表读数为7气压(at)，温度计 读数为25，贮气罐的体积为3m3，当地大气压力取 为l气压(at)，试求罐内空气的重量。,解：压缩空气的质量为：,则罐内空气的重量为：,例题13 某封闭容器内贮有压缩空气，用压力表测 得：当大气压为745m m Hg时，压力表上