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1、 辽宁大学 热工基础 轻型产业学院轻型产业学院 李振荣李振荣w Email:w一、本课程特点：一、本课程特点：w 理论性、工程性均很强，内容多理论性、工程性均很强，内容多w二、本学期教学任务：二、本学期教学任务：w 气体力学在窑炉中的应用、传热学、干燥、气体力学在窑炉中的应用、传热学、干燥、燃料燃烧计算燃料燃烧计算 w三、教学要求及考核方式三、教学要求及考核方式 w作业、出勤及平时成绩作业、出勤及平时成绩 20分分 w 期末考试期末考试 80分分热工基础的主要内容第一章 气体力学在窑炉中的应用第二章 传热学第三章 干燥过程与干燥设备第四章 燃料燃烧第一章气体力学在窑炉中的应用w气体力学基础w窑
2、炉系统内的气体流动w气体的输送设备烟囱、喷射器第一节第一节 气体力学在窑炉中的应用气体力学在窑炉中的应用w1.1 气体力学基础气体力学基础 w 1.1.1 气体的物理属性气体的物理属性 w 1.1.2 气体动力学基本方程气体动力学基本方程w1.2 窑炉系统内的气体流动窑炉系统内的气体流动 1.2.1 不可压缩性气体的流动不可压缩性气体的流动 1.2.2 可压缩性气体的流动（自学）可压缩性气体的流动（自学）w1.3 烟囱烟囱 喷射器（自学）喷射器（自学）第一节第一节 气体力学基础气体力学基础w气体力学：从宏观角度研究气体平衡和流动气体力学：从宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门学科。规律的一门学
3、科。w窑炉内气体：主要是烟气和空气；特点：低窑炉内气体：主要是烟气和空气；特点：低压，常温或高温压，常温或高温可近似作为理想气体可近似作为理想气体w炉内气体的作用：载热剂、反应剂、雾化剂。炉内气体的作用：载热剂、反应剂、雾化剂。w窑内气体流动：从燃料的气化、雾化、燃烧，窑内气体流动：从燃料的气化、雾化、燃烧，生成的高温烟气，余热回收到烟气排除；特生成的高温烟气，余热回收到烟气排除；特点点:不可压缩不可压缩w流动气体应用：设计和操作窑炉流动气体应用：设计和操作窑炉11气体力学基础1.1.1气体的物理属性1.理想气体状态方程:PV=mRT或P=RT 式中R=8314.3/M(J/kmolk)2.气
4、体的膨胀性和压缩性：当P一定，T，V窑内气体具有膨胀性；当T一定,P, V窑内气体具有压缩性。 窑炉系统中，气体在流动过程中压强变化5，虽然整个系统的温度变化较大，但若分段处理，每一段的温度变化也不大，以致于气体的密度变化不大（ 20%），故窑内气体可看成不可压缩气体 不可压缩气体的特点：=const 多变过程：气体的膨胀或压缩过程 多变方程：w3 气体的气体的粘性粘性w牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律:单位面积上的内摩擦力与流体横单位面积上的内摩擦力与流体横截面积上的速度剃度成正比截面积上的速度剃度成正比w(1).动力粘度动力粘度 w粘度的物理意义粘度的物理意义w表征单位速度梯度作用下流体的剪切
5、力表征单位速度梯度作用下流体的剪切力,反应流体反应流体粘滞性的动力学性质粘滞性的动力学性质.w粘度的单位粘度的单位w国际单位国际单位:是是Pas(帕秒）或帕秒）或 kg/ms w常用单位常用单位:P(泊泊),cP(厘泊厘泊) w 1泊泊=0.1 Pas,1P=100cPw w（2）.运动粘度运动粘度 w 的物理意义的物理意义:w单位速度梯度作用下的切应力对单位体积单位速度梯度作用下的切应力对单位体积的质量流体作用的质量流体作用,产生的阻力加速度产生的阻力加速度. w 越大越大,反映流体质点相互牵制的运动学影反映流体质点相互牵制的运动学影响越显著响越显著,则流动性越低则流动性越低;反之流动性越好
6、反之流动性越好. 可以用来衡量流体的流动性可以用来衡量流体的流动性w运动粘度的单位是运动粘度的单位是: m2/sw w4空气浮力:w单位气体的体积在空气中的合力w F=(1.293-0.78)10=5.13Nw单位气体的水在空气中的合力w F=(1.293-1000)10=9987.07Nw空气浮力对液体可忽略不计w热气体在没有外界机械能加入的情况下,具有自下而上的自然流动趋向w5 几个常用公式wVt =V0 (1+t)wt =0 1/(1+t)wWt =w0(1+t)w例:标态下12m3的空气预热到1000后的体积与密度wVt =V0 (1+t)=12(273+1000)/273=56m3w
7、t =01/(1+t) =1.293273/(273+1000)=0.277kg/m3w6 气体的压强w压强:垂直作用于气体单位面积上的力,称为压力压强或气体静压力,简称压强.气压变化时,对自然通风的窑炉影响较大.1.1.2 气体动力学基本方程式w质量方程-根据质量守恒原理w能量方程-根据能量守恒原理w动量方程-根据动量守恒原理w状态方程-体现气体性质的状态方程1.1.2 气体动力学基本方程式w稳态流动与不稳态流动1.1.2 气体动力学基本方程式w1 质量方程-连续性方程(稳定态一元流)w对具有一个入口断面F1和一个出口断面F2的稳定态管流 在1-1截面,气体质量流量 m1=F111 在2-2
8、截面,气体质量流量 m2=F2221.1.2 气体动力学基本方程式w稳定流动时，单位时间内通过截面和截面的质量流量相等 F111=F222若气体为不可压缩气体1=2F11=F22=V=常数m3/S结论:不可压缩气体做稳定流动时,横截面积越小处,流速越大.1.1.2 气体动力学基本方程式w2 能量方程-柏努利方程w对于不可压缩气体做管流流动时, 1-1截面单位质量气体的能量方程:wgz1+p1/+1/212=const gz1+p1+1/212=constwgz1+p1+1/212= gz2+p2+1/222+hL-(1)whL -阻力损失(机械能转化 为热能散失于环境) 单一流体的柏式方程1.
9、1.2 气体动力学基本方程式w窑内气体和大气相通,炉内气体受外界大气浮力的作用,对窑炉外的空气相应二截面静力学方程wagz1+pa 1 =agz2+pa2-(2)w(1)-(2)p1-pa1+gz1(-a)+1/212= p1-pa2+gz2(-a)+1/222+hlwa 上式改写为wP1+gz1(a-)+ 1/212= P2+gz2(a-)+ 1/222+hl-(3)w(3)为两流体的柏努利方程,基准面取在上方,基准面以下的Z为正1.1.2 气体动力学基本方程式 二流体柏努利方程各式的物理意义wP 为某截面气体的表压强,称为静压头hs表示w物理意义:单位体积的气体具有的压力能的大小w单位J/
10、m3=Nm/m3=N/m2=Paw沿高度上的分布上大下小w凡出口与大气相通处,其静压头 为零1.1.2 气体动力学基本方程式wgz (a-) 几何压头,hge表示.重力和浮力的代数和的位能w物理意义:单位体积的热气体在净浮力的作用下所具有的位能.J/m3=Paw沿高度上的分布:上小下大.w基准面设在上方,基准面上hge=01.1.2 气体动力学基本方程式w1/2 2动压头,hk表示w物理意义:单位体积的气体流动流动时具有的动能w单位J/m3whL = (hf+hf)压头损失(阻力损失)1.1.2 气体动力学基本方程式w压头损失是能量消耗,减少能量损失也就是减少动力消耗.一般局部阻力损失大于摩擦
11、阻力损失,所以减少阻力损失应从减少局部阻力损失着手.途径“圆、平、直、缓、少”w压头损失的应用：确定送风、排烟设备；判断窑炉的工作情况1.1.2 气体动力学基本方程式w柏努利方程：hs1+hge1+hk1= hs2+hge2+hk2+HLw柏努利方程使用条件w(1) 不可压缩流体 w(2) 定长流动 w(3) 沿流线成立 w(4) 质量力有势 w(5)无其它能量的输入或输出 1.1.2 气体动力学基本方程式w例1玻璃池窑内玻璃液面至碹顶的空间高度为2.5m,如图,窑内烟气平均温度为1500,烟气的标态密度=1.32kg/Nm3,窑外空气温度为30碹顶内点为测压点.(1)若要保持液面处的表压强为
12、5,碹顶的表压强为多大?(2)若测知碹顶的表压强为20,液面处的表压强是多大?若为负压,零压面在液面上方何处? w列二流体静力学柏式方程hs1+hge1= hs2+hge2w设2-2截面为基准面,则hge=0, w hs2= hs1+hge1=5+9.82.51.293273/(273+30)-1.32273/(273+1500) =5+24.5(1.161-0.201)=28.52(pa) hs1= hs2-hge1=20-9.82.51.293273/(273+30)1.32273/(273+1500) =20-23.52=-3.52(pa) 零压面hs0=0, hge0= hs2 9.8
13、1.293273/(273+30)-1.32273/(273+1500)z=20 Z=2.125(m) 零压面在液面上方0.375m1.1.2 气体动力学基本方程式1.1.2 气体动力学基本方程式1.1.2 气体动力学基本方程式1.1.2 气体动力学基本方程式w3 稳定态一元(管流)动量方程 w根据牛顿第二定律:作用于控制体的外力总合应等于该系统动量的增量w既w对于稳态流动 w能量方程和动量方程的共同特点:使用时可以不考虑界区中进行的过程,只根据界面上的气体参数进行流量计算.w当压力变化较大时,可用动量方程,不可压缩气体才可使用柏努利方程1.2 窑炉系统内气体的流动窑炉系统内气体的流动w1.2
14、.2不可压缩性气体的流动不可压缩性气体的流动 w 气体通过孔口的流出和吸入气体通过孔口的流出和吸入 w 气体通过炉门的流出和吸入气体通过炉门的流出和吸入 w 分散垂直分流法则分散垂直分流法则 w1.2.2 可压缩性气体的流动可压缩性气体的流动 w 可压缩性气体流出的过程特征及一些参数可可压缩性气体流出的过程特征及一些参数可w 压缩性气体的伯努利方程式压缩性气体的伯努利方程式 w 可压缩性气体通过收缩管的流动可压缩性气体通过收缩管的流动第三节 烟囱和喷射器w1.烟囱的工作原理:是由于烟囱内的热烟气受到大气浮力的作用, 使之由下而上自然 流动,在烟囱底部形 成负压,而使窑内烟 气源源不断地流入 烟
15、囱底部第三节 烟囱和喷射器w列1-1截面和2-2截面的二流体柏式方程w w表示单位体积的烟气在窑炉系统中的总能量损失或称总阻力,包括摩擦阻力、局部阻力、气体动压头及几何压头增量第三节 烟囱和喷射器w列烟囱底部和顶部二截面柏努利方程第三节 烟囱和喷射器w抽力：烟囱底部的负压的绝对值成为抽力。w抽力越大，烟囱的排烟能力越强w上式表明烟囱的抽力是由几何压头形成的，烟囱越高，烟气的温度越高，空气的温度越低，则烟囱的抽力越大，反之越小w代入并整理w上式说明烟囱中热气体的几何压头是推动力,它是克服气体在窑炉中的总阻力( )以及烟气在烟气在烟囱中的摩擦阻力与动压头增量.后两项较小.第三节 烟囱和喷射器w2.
16、烟囱的热工计算:包括高度和直径计算w(1)烟囱的顶部直径dT,根据烟气排出量V0(Nm3/s)和排烟速度T(Nm/s)计算:w自然通风时T=2.04.0(Nm/s).排烟速度过大,烟囱本身阻力大; T太小,容易产生倒风现象使排烟不畅而影响生产.w人工排烟T=815(Nm/s).w砖烟囱和混凝土烟囱顶部内径0.7m砖烟囱顶部厚度一块标准砖(24cm)第三节 烟囱和喷射器w(2)底部内径:砖烟囱和混凝土烟囱通常是底部直径大的锥形体,斜率为1 2%,底部内径dBwdB= dT+2(1 2%)H (m)w小型烟囱通常用卷焊成等直径的圆筒形,也有用砖砌成方形第三节 烟囱和喷射器w(3)烟囱高度w确定烟囱
17、高度时应考虑到窑炉后期的阻力增大以及窑炉生产能力的提高,故对计算值加大1520%,作为储备能力w烟囱高度的近似计算第三节 烟囱和喷射器w若考虑当地大气压的影响,烟囱的高度为(近似)w w H=w通常只知道烟囱底部的烟气温度,烟囱顶部的烟气温度需要根据烟气沿烟囱的高度的温降率(表1-9)求出,从而求得平均烟气温度tmw求顶部烟气温度时,先按近似计算式求烟囱高度,可先将烟囱底部的烟气温度代入求出一个高度的近似值,然后按表1-9求出烟囱顶部的烟气温度和烟气的平均温度tmw其它条件相同时,烟囱的抽力随海拔升高而下降,所以同样条件下的烟囱在沿海地区能正常工作,但在高原的地区不能正常工作第三节 烟囱和喷射
18、器w烟囱高度的近似值也可按图1-44查得w该图条件:ta=30 0=1.32kg/Nm3 t=4Nm/s 大气压为99805pa (0.985atm) 当t和大气压不符时,查得的烟囱高度乘以表1-10和1-11的修正系数第三节 烟囱和喷射器w在确定烟囱尺寸时应注意以下几点:w(1)为保证各个季节都有足够的抽力,计算时应采用夏季时最高温度时的空气密度w(2)如当地的空气湿度较大,计算时应采用湿空气的密度w(3)如地处高原和山区,应考虑海拔对大气压的影响(图1-45)w(4)若附近有飞机场应不妨碍飞机的升降(20)第三节 烟囱和喷射器w(5)烟囱的高度应符合环卫部门的规定w(6)要考虑对附近农作物的影响.除增加烟囱高度外,还应排烟脱硫等净化措施w(7)要充分估计烟道积水、积灰和烟囱严密度对抽力的影响w(8)数座窑合用一座烟囱时,各窑的烟道应并联,并防止互相干扰,计算烟囱高度时,用的烟囱底部负压值,应去阻力最大的一座窑炉的数据.计算烟囱内径、hf和动压头增量时用的烟气量，应取几座窑的总烟气量w烟囱顶部直径dT和底部直径dB
