《陶瓷热工设备ch1热工课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《陶瓷热工设备ch1热工课件（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、无机非金属材料 热工基础与设备,张景德 el:88392914, 13006591609 E-mail: ,课程的性质 在介绍相关基础知识的前提下，重点介绍无机非金属材料工业领域内热工设备方面的知识，强调基础性、科学性、先进性、广泛性和实用性。,绪论,课程的性质,绪论,课程的目的 掌握和了解陶瓷工业热工设备的结构、性能、设计和使用等知识和技能，并应用于实践，指导生产和科学实验。,课程的性质,绪论,课程的目的 主要内容,主要内容 工程流体力学基础、传热学基础、隧道窑、间歇窑、电热窑、电热炉、窑炉热工测量和自动调节、其它类型热工设备及热工技术新进展。,课程的性质,绪论,课程的目的 主要内容,主要内
2、容 基本要求 掌握各种陶瓷热工设备的主要技术参数、结构和工作原理和应用特点； 了解主要的陶瓷工业热工设备的设计方法； 了解陶瓷工业热工技术的发展现状与趋势。,一、气体的能量 (一) 压力，静压能、静压头,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,1气体的压力： 气体作用于单位面积上内法线方向的力。（或称压强） 单位：帕斯卡（Pa）, 1Pa = 1 N/m2。 按采用的零点： 绝对压力（p）：绝对真空为计算起点 相对压力(p)：大气压力为计算起点(表压力) p = p pa = gh (1-1),当p0时，称为相对正压； 当p0时，称为相对零压； 当p0时，称为
3、相对负压（也称真空度）。,一、气体的能量 (一) 压力，静压能、静压头,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,2静压能,如图，气体可推动活塞做功： dA = pA dl = pdV 单位体积气体所做的功：dA/dV = p,单位体积气体所具有的做功能力称为静压能（Es）, Es = p（J/m3）,可见，气体压力是气体分子储存能量的一种表现形式。,一、气体的能量 (一) 压力，静压能、静压头,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,同一水平面上炉内外气体具有的静压能差称为静压头。 hs=pg - pa (1-2),3静压头,
4、一、气体的能量,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,1位能 静止气体在距离基准面的高度为z时所具有的位能。（图1-3） Mgz = dvg z,2位压能：单位体积气体具有的位能（Ep）。 Ep = g z (1-3),3位压头 单位体积炉气的位能与同一水平面上炉外单位体积空气的位能之差（hp） hp =g g z - a g z = (g - a) g z (1-4),（二）位能、位压能、位压头,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,一、气体的能量,小结,二、静止气体平衡方程及压力分布,Part 基础知识,Chap. 1
5、 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,描述在连续、静止的气体内静压力与高度的关系。气体处于静止状态，密度不随高度改变。,如图，取一垂直地面的微小六面体，其体积dv,质量dM，各边长分别为dx,dy,dz, 气体密度为。下表面受压力为 p 则，Z轴方向上的平衡方程为：,二、静止气体平衡方程及压力分布,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,将dM= dv = dxdydz 代入上式，可得 dp= - gdz,因为常数，积分得：p = - gz + C 或 p + gz = C (1-5),二、静止气体平衡方程及压力分布,Part 基础知识,Chap. 1 气体
6、力学基础,第一节 气体静力学基础,如图1-5 由x坐标轴受力分析得：,lcos= z1-z2 p2-p1- g(z1-z2) = 0 p1 +gz1 = p2 +gz2 (1-6),此式为用机械能守恒定律描述的气体静止状态的方程式。,小结：1.在为常数的静止气体中，压力沿高度呈直线分布。静止气体的绝对压力随高度增大而减小。 2.静止气体中任一高度的静压能与位压能之和为一常数，从能量角度， p和gz分别为静止气体的静压能和位压能。,三、静止炉气的压头分布,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,对于零压面（基准面）之上H处的一截面，由（1-6）式可得 po=pg
7、+ggH po=pa+agH, hs = pg - pa = (a -g)gH (1-7) 式中a g ，g为常数的静止炉气所具有的静压头沿高度方向呈直线分布。（如图1-6）,（一）静压头分布,三、静止炉气的压头分布,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,为便于计算，选热气柱的顶部（图1-7）为基准面。 对炉气来说，a g, 则： (由式1-4: hp = (g - a) g z ) hp= (-z)g(g -a) = (a -g)gz (1-8),（二）位压头分布,三、静止炉气的压头分布,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学
8、基础,结论： 静止炉气的位压头沿其高度呈直线分布，由于a g，故越往下位压头越大。 注：1位压头不能直接测量，由计算求得； 2位压头还可以按浮力作用来理解。因为a g，则浮力大于重力，热气体要向上浮升，而且位置越低，上浮力越大。因些，位压头也是指气体上升或下降的趋势。其流动方向取决于气体在哪一种介质中，冷气体在比较轻的介质（热气体）中下降，热气体在比较重的介质（冷气体）中上升。在加热炉中，要使高温气体从炉顶向炉底流动，必须克服位压头这个阻力（如设烟囱）。,（二）位压头分布,三、静止炉气的压头分布,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,由（1-6）式 p1 +
9、gz1 = p2 +gz2 ，对、截面的炉气和空气可分别得出：,即， (1-9),（三）静止炉气的总压头,结论：静止炉气在不同高度上，其静压头和位压头之和为一定值，二者可以相互转化，其总压头不变，即压头守恒。,四、加热炉溢气和吸气,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,1零压面控制在炉底 即，hs2 =0，压头分布如图1-8a，炉内静压头皆为正，即炉气是正压，而且炉顶处炉气的正压最大，这时炉内热气体通过炉墙上的孔洞或缝隙向外溢出。,四、加热炉溢气和吸气,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,2零压面高于炉底 设炉膛内任一平
10、面面为零压面，即hs1 =0，压头分布如图1-8b，在面以下，静压头为负值，炉底处静压头最小；在面以上，静压头为正值，炉顶面静压头最大。,四、加热炉溢气和吸气,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第一节 气体静力学基础,3零压面在控制在炉顶 即，hs0 =0，整个炉膛内皆为负压，如图1-8c，炉底负压的绝对值最大，炉外空气透过缝隙吸入炉内。,一、气体流动的基本概念 （一）流量和平均流速,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,2平均流速：单位面积上的平均流量， 即： (1-11),1流量：气体在单位时间内通过给定面积的气体量。 依测量单位不同：体积流
11、量qv（m3/s）: 质量流量qm（kg/s）:,注： 气体在标准状态下的流量与流速，分别称为标态流量qv0和标态流速0。 根据气体基本定律，流量qvt和流速t随温度的变化规律为：,一、气体流动的基本概念 （二）气体的黏性,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,气体流动时，其内部各层之间产生内摩擦力的性质，称为气体的黏性； 黏性大小的程度称为黏度。 图1-9为速度分布曲线。,说明： 气体黏度与压力关系不大，但随温度升高而增大。 不考虑黏性的气体为理想气体，有时为简化分析过程，常忽略气体黏性。,相邻两层之间因相对运动而产生的内摩擦力： 式中，A为层间交界面积；d/
12、dn为相邻层的速度梯度；称为黏度系数或动力黏度，单位为（Pa.s）。,一、气体流动的基本概念,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,1层流 流体质点作有规则的平行运动，层与层之间不相混合，质点无径向运动。速度分布如图1-10所示，呈抛物线状。截面上的平均速度一般为最大速度的50%。,（三）气体的流动形态,一、气体流动的基本概念 （三）气体的流动形态,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,2紊流 流体质点不仅沿前进方向运动，还向各个方向作不规则的运动，不停地相互混合。 紊流时，管壁处流速仍为零，管内中心的流速仍最大，但速度分布不再是
13、抛物线状，其曲线顶端稍宽，且较为平坦。紊流程度越高，曲线顶端越平坦。,靠近管壁处的速度很小，质点在这里仍是直线运动，处于层流状态，称为层流底层。（如图1-11），在层流底层与紊流区之间还有过渡层。,一、气体流动的基本概念 （三）气体的流动形态,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,流动形态与液体的密度()、黏度()、速度()和管径(d)组成的无量纲数有关，称雷诺数（Re）,即： （1-14）,实际测得，表面光滑的圆管道中：层流 Re 2300Re 紊流。 注：对于非圆形管道，d应为当量直径，等于4倍管道截面积 f 除以周长S。,一、气体流动的基本概念,Part
14、基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,单位体积的气体，所具有的动能为： （1-16）,（四）气体的动能,管内外两种气体的动能差，称为该气体的动压头。 炉外空气可认为是静止的，其动能为零，故炉气所具有的动压头即为炉气的动能，即： （1-17）,一、气体流动的基本概念,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,气体流动时，在任一空间点的物理量都不随时间而变化，称为稳定流动；否则为不稳定流动。,（五）稳定流动与不稳定流动,二、气体流动时的能量损失,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,气体在等径直管中流动时产生的能量损
15、失。与管长、流体动能成正比，与管径成反比。,（一）摩擦能量损失（hf）,(1-18) 式中，为摩擦阻力系数；l 为管道长度；d为管道当量直径。,由局部阻力引起的能量损失，即由于管路转向或截面变化而改变了气流的运动方向或速度大小，从而引起气流内各质点间的相互冲击和形成旋涡而造成该局部区域的能量损失。与流体的动能成正比。,（二）局部能量损失（hpat）,(1-19) 式中，为局部阻力系数，大小与管况有关。（如表1-1）,三、气体流动的连续性方程式,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,对于管道中稳定流动的气体，由质量守恒定律，单位时间流经管道任一截面的气体质量恒定。
16、如图1-12， 1f11=2f22 （1-20）,对于不可压缩气体，1=2，则： 1f1=2f2 （1-21） 即，密度不变的气体作稳定流动时，其流速与管道截面成反比。,四、伯努利方程式,Part 基础知识,Chap. 1 气体力学基础,第二节 气体动力学,即气体流动时的机械能守恒定律。对于管道上任意两截面、，满足：,对于炉内流动炉气和炉外静止空气，由上式得：,两式相减得：,可写为： hs1 + hp1 + hd1 = hs2 + hp2 + hd2 +h1,结论： 在任一截面上，静压头、位压头、动压头及流体能量损失之和为一常数。,p1 +gz1 + 12 /2 = p2 +gz2 + 22 /2 + h1 （1-22）,炉气： pg1 +g gz1 + g12 /2 = pg2 +g
