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1、陶瓷热工过程及设备陶瓷热工过程及设备教学课件下载-样章.ppt第一章 窑炉中的气体力学 第一节 气体力学的基本概念 一气体的属性 密度与比体积 1气体的密度 表达式 气体的标准状态：0和101325Pa 气体某一工作状态与标准状态下密度的换算 混合气体的密度 2比体积压 强 单位面积上气体的法向压力称为压强。 绝对压强P ：以绝对真空为起点所测得的压强； 环境大气压强 ：以绝对真空为起点所测得的环境大气压强； 相对压强（表压） ：以周围环境大气压为起点所测得的压强。三者之间的关系为： =P- 当 0时，为负压；当 0时，为正压；当 = 0时，为零压。 压缩性和膨胀性 1压缩性 T不变，气体的压
2、强增大，体积缩小，密度增大； 通常把压强变化不大，温度变化不大的气体叫不可压缩气体 。不可压缩气体的密度为常数。2气体的膨胀性 P不变，气体的温度升高，体积增大，密度减小。 3气体工作时的参数与标准状态时的参数的换算 P=常数时： 空气的浮力 热烟气在没有外界机械能的加入的情况下，将会在浮升力的作用下向上流动，因此，窑炉外的空气对炉内热气体流动的影响应预以考虑 。气体的粘性 气体内部质点或相邻的两层间因相对运动而产生内磨擦力以反抗相对运动的性质叫粘性。产生粘性的原因： 1。分子的紊乱运动 2分子间的吸引力 实验证明：内磨擦力式中 称为动力粘度。 单位：PaS工程上常采用运动粘度：动力粘度与温度
3、的关系：二气体的流动 流量与流速 体积流量 :气体在管道内流动时，单位时间内流经管道任意截面的气体体积称为气体的流量；质量流量 ：气体在管道内流动时，单位时间内流经管道任意截面的气体质量称为气体的流量。流速和平均流速的区别 ；体积流量与质量流量的关系：稳定流动与不稳定流动 稳定流动：任意截面上的气体流动状况 不随时间而改变。 不稳定流动：则相反。 层流与湍流 1.概念： 层流：气体在流动时层次分明，互不干扰，垂直于流动方向上的分速度为零，其质点运动轨迹互不相交。 湍流：气体紊乱流动，气体质点有轴向和横向运动，互相撞击，产生湍动和旋涡。2.判定气体在管道内流动状态的方法 2000为层流； 雷诺准
4、数 4000为湍流 其余为过渡流。 非圆形管道采用当量直径 进行计算。 3气体在管道内速度分布规律 层流时： 湍流时： 第二节 气体流动的基本方程式 一连续式方程式 前提：气体在截面变化的管道内作稳定而连续的流动 根据质量守恒定律 ： =常数 对于不可压缩气体 注：若两截面温度不同时，采用平均温度。 二伯努力方程式 只考虑一种气体流动的伯努力方程式 1理想气体的伯努力方程式 前提：理想气体在管道内作稳定而连续的流动 ，无能量损失和热力学能的增减，只有机械能之间的转化。 机械能=静压能+位能+动能 对于单位体积的气体而言，某一管道内气体由1-1截面流向2-2截面，根据能量守恒定律 ： 静压头 几
5、何压头 动压头 2实际气体的伯努力方程式 由于实际气体有粘性，流动时会产生能量损失，其损失的能量变为热能，称为压头损失 。 +适用于窑炉系统的伯努力方程式 1窑炉系统内气体流动的特点 陶瓷窑炉内一般正负压不大20200PA， 某一小段温差小，故窑内气体可看作不可压缩气体，另外窑内热气体还要受外界空气浮力的影响 。2两气体伯努力方程式的推导 前提：系统内热气体作稳定而连续的流动，外界冷空气认为是静止的。热气体： +冷空气： 两式相减并整理，得两气体的伯努力方程式 ：伯努力方程式的简化形式 ：伯努力方程式的使用条件： 气体在窑炉系统稳定流动； 气体只受重力的作用； 截面是渐变流截面； 气体在流动过
6、程中温度不变。 3伯努力方程式中各项的物理意义 相对静压头 物理意义 :指窑炉系统内单位体积的热气体比系统外同一水平面上的冷空气多具有的静压能；它在数值上等于窑内气体的相对压强。静压头的测量：用压力计来测量。 相对几何压头 物理意义 ：指窑炉系统内单位体积的热气体比系统外同高度的冷空气多具有的位能； 几何压头沿高度方向的变化规律：铅垂位置越低，几何压头值越大； 对气体流动的影响：有使气体向上流动的趋势，当气体由下向上流动时，几何压头是推动力，反之为阻力。 几何压头无法测量。 动压头 物理意义 ：表示单位体积气体流动时所具有的动能；它与气体在截面上的平均流速有关。测量方法：用毕托管测量。压头损失
7、 磨擦阻力损失 ：是指气体在流动过程中，由于气体质点与气体质点之间以及气体质点与管壁之间相互碰撞和磨擦造成的能量损失。计算方法： 式中 为磨擦因数 在一般工程计算时， 值可近似选取。砖砌管道： =0.05-0.06光滑的金属管道： =0.02-0.025氧化的金属管道： =0.035-0.04当气体在管道内流动时，管道直径不同，在计算磨擦阻力损失时应分段计算。 局部阻力损失 局部阻力损失:是指在气流通道发生局部变形（如扩张、收缩、转弯、分支、合流、通道设置阐板等）处，气体质点与质点之间，气体质点与管壁间相互冲撞，产生的局部能量损失。计算方法： 式中 为局部阻力系数 ，可查有关手册。 料垛阻力损
8、失 与料垛的形状、码法、密度等有关，一般采用经验数据：每米料垛阻力约为1 4压头的相互转变 伯努力方程式本身在表达能量守恒的同时，也表明各种能量之间可以相互转变。当气体在逐渐扩张的水平管道中流动时，则动压头转变为静压头；当气体在等径管道中由下向上流动时，则几何压头转变为静压头；当热气体在收缩的垂直管道内向上流动时，则压头发生综合转变。注：由于压头损失发生在气体流动时，故只有动压头才能转变为压头损失，且不可逆。三动量方程式 前提：稳定态流管，作用在此系统的外力代数和为 据牛顿第二运动定律： 若外力代数和 =0， 则有 此系统的动量是守恒的。 第三节 窑炉系统内的气体流动 一气体通过小孔的流出和吸
9、入1缩流的概念 :气体由较大空间突然经过小孔向外流出时，气体的静压头转变为动压头，其压强降低，速度增加，在流出气体惯性的作用下，气体发生收缩，在某一截面处形成一个最小截面，这种现象称为缩流。 2气体通过小孔的流出其流速和流量的计算方法 建立1-1至2-2截面的伯努力方程式：可推导出： 为了便于查表，先要确定厚、薄墙 厚墙条件： 3气体通过小孔吸入的流量计算 同理可推导出通过小孔吸入气体的流量：二气体通过炉门的流出和吸入 1当炉门全部处于正压或负压时 主要问题是确定形心，再按小孔的计算方法进行计算。 2当炉门部分处于正压部分处于负压时 零压面以上(正压)流出，按流出公式计算 ；零压面以下（负压）
10、吸入，按吸入公式计算。 三分散垂直气流法则 1. 分散垂直气流法则使用的场合；2分散垂直气流法则及其使用条件 ：在分散垂直通道内，为使通道内气流温度分布均匀，热气体被冷却时应自上而下流动，冷气体被加热时，应自下而上流动，这就是分散垂直气流法则。该法则只适用于几何压头起主要作用的通道内。四可压缩气体的流动 高压气体的外射流动与不可压缩气体流动有本质的不同。 音速与马赫数 1音速方程式 声波在理想静止气体中传播速度： = 音速也称当地音速或局部音速， 音速越大，说明气体的可压缩程度越小。 2马赫数 气体流速和当地音速之比，称为马赫数。根据马赫数的大小，气体流动可作如下分类： Ma 1 不可压缩流动
11、； Ma 1 亚音速流动； Ma 1 跨音速流动； Ma 1 超音速流动。理想可压缩气体的伯努力方程式 前提：可认为是绝热流动，另外位能变化很小，可忽略不计；这样气体所具有的能量包括：压力能、热力学能和动能。根据能量守恒定律，建立1-1至2-2截面的可压缩气体的伯努力方程式： 由于：热力学能又：故可压缩气体的伯努力方程式可写为： 或 可压缩气体通过渐缩喷嘴的流出 1流量与流速 条件：容量足够大的大型气罐，短时间内可认为是滞止状态，气体在喷嘴中的流动，可视为绝热流动。脚标加“S” 建立可压缩气体的伯努力方程式:得： 据绝热方程：有： 代入得： 质量流量 ：且 故：实际气体流动时有能量损失，则：
12、2极限速度和临界速度 极限速度： 由流速公式可知：当 时，即向绝对真空环境喷出临界速度：以压强比 为横坐标，分别以流量和流速为纵坐标建立函数关系式并对函数求导，得拐点（即临界状态）流速和流量 可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴外射流动 当 时， 其剩余压强在环境中继续膨胀，使出口气体温度下降，造成浪费。若在渐缩喷嘴出口处，再接一段渐扩管（称为拉伐尔喷嘴），当 时，气体先在喷嘴的渐缩段加速，在喉部达到 ，在渐扩段能进一步加速，使剩余的压力能转化为动能，以获得超音速气流。 五气体射流 1气体射流 ：气流脱离了原来限制它流动的管道，不再受固体壁面的限制，而在空间继续扩散流动，这种气体的流动叫射流。 2气体射
13、流的形式 ：气体射流包括：层流射流和湍流射流； 又包括：自由射流和受限射流。自由射流 1自由射流的形成和外形特点 2自由射流的特点 可视为一维流动； 自由射流内部压强不变； 在自由射流内，各截面上的速度分布有相似性。 3温差射流和浓差射流 概念 ：当周围的气体温度和密度与喷射气体不同时，自由射流会使喷射气体与周围气体之间产生热量和质量交换，自由射流的温度和浓度就会引起变化，这种射流称为温差射流或浓差射流。 以上两种射流的外形特点基本同前面所讲自由射流，只是边界层发展有所不同。射流弯曲 非等温射流由于射流的密度与周围气体密度不相等，所受的重力和浮力不平衡，射流发生弯曲。当热射流水平射至冷气体时，
14、射流轴线向上弯曲；当冷射流水平射至热气体时，则向下弯曲。受限射流 1受限射流的形成 2限制空间内的气体循环 气体循环的强烈程度和循环方向与下述因素有关： 限制空间的大小 ；射流喷出口的位置 ；射流出口与气流出口的相对位置 ；射流的喷出压强及射流与墙面交角的影响。 第四节 通风设备 一烟囱 烟囱包括：自然通风和机械通风的烟囱。它们各有优缺点。烟囱的作用 烟囱的作用主要提供陶瓷窑炉内零压面开始气体流动的动力来源，即需要提供压差。可通过建立窑内各个截面的伯努力方程式，求得其所需烟囱底部负压为 ：烟囱抽力的产生 通过建立烟囱底部到烟囱出口这两个截面的伯努力方程式，求得： 上式说明烟囱底部负压由烟囱高度
15、提供的几何压头来保证。 烟囱的设计 1烟囱直径的计算 上口直径： 其中烟囱出口处的标态流速，要根据经验选取 ：自然通风的烟囱： /S 机械通风的烟囱： /S 过大，由阻力大，相对减少烟囱的抽力；过小，易使冷风倒灌入烟囱，且不经济。底部直径：砖烟囱和混凝土烟囱一般是出口直径小而底部直径大的锥体形，其斜率为12。或进行估算： 2烟囱高度的设计 根据窑内烟气流动阻力需克服，并考虑后期阻力增大（设储备系数）其阻力可设计为： 再根据烟囱抽力产生的计算式得：式中： 为烟囱内烟气的平均平均温度下的密度，顶部温度需根据烟气沿高度的温降率求出。故需要先估算烟囱高度。烟囱高度还可以通过查图法求得，作图条件是： ,
16、 , 大气压为99805 当和大气压不符合以上条件时，可将查得的烟囱高度乘以速度修正系数K1和气压修正系数K2 （见书表1-5、表1-6）在计算烟囱高度时要注意以下问题 为保证烟囱有足够的抽力，计算时空气的密度采用尽可能低的值； 应不防碍飞机的起降 ；排放污染物应符合有关标准 ；要考虑对附近农作物的影响 ；要充分估计烟道积灰和积水和烟囱密实程度 ；数窑合用一个烟囱时，采用最大阻力计算；不同阶段烟气量按最大进行计算。 二风机及其选型 （一）离心风机的常识1离心风机的分类 按用途分： 排烟风机、抽热风机、助燃风机、燃油雾化风机、气幕风机 、冷却风机等。按气体的输送方向分：鼓风机、抽风机等。 按风机
17、全风压的大小分：低压风机、中压风机、高压风机 2离心风机的结构原理 3.离心风机的型号及命名（1）输送低压冷风：4-72型离心风机；（2）输送助燃雾化风：9-19型高压离心风机；（3）排烟或抽热风：Y4-73-11型锅炉引风机。 风机选型 1风机选型的一般原则（1） 适应被输送气体介质的工作条件普通介质：一般离心风机；高温介质（80 ）：锅炉引风机；粉尘大：排尘风机；易爆气体：防爆风机。（2）满足通风系统的最大风量和风压要求（3）能耗低，噪音小（4）坚固耐用，结构简单，价格低，维修方便。2.离心风机的选型计算 市售风机的风量和全风压是用标准工况下的空气作工作介质（如：普通离心风机为：10132
18、5Pa，20 ；锅炉引风机为101325Pa，200 ）在最佳工作点（效率最高）的相应值。故：在选择风机时，要根据工作介质的实际风量和全风压换算为标准工况的风量和全风压，进行选型。风机型号确定后，其功率、转速等也随之确定。（1）风量计算 考虑到风机不一定在最佳工作点工作，再加上长期使用阻力增加，严密性逐渐变差，以及留有调节余地，故计算时风量须乘储备系数K=1.21.3。（2）全风压计算 计算风机工作时，需克服的全部阻力损失 窑内阻力损失 ； 管道内的阻力损失。 计算实际工况下的全风压 计算标准工况全风压另外：压力变化较大时，要考虑压力对工作介质密度的影响，所选风机一般不低于计算值。三.喷射器1.喷射器：是利用从喷嘴喷出的高速气体，吸引并带动另一种气体流动的装置。如：窑内气体过高，不能用风机输送时，可以采用喷射器。2.喷射器的构造和工作原理
