窯爐系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動

§1-2窯爐系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動窯爐系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動主要有三種類型：（1）不可壓縮氣體的流動，=const（2）可壓縮氣體的流動，const（3）射流（流股）當(dāng)前第1頁\共有51頁\編于星期五\7點1不可壓縮氣體的流動在高溫窯爐中，由于氣體的組成、溫度和壓力的變化，氣體的密度是漸變的。但若截取某一有限單元體，如水平爐膛、垂直通道、局部孔口等作為研究對象，則可視為恒密度（不可壓縮）氣體的流動。即當(dāng)溫度波動大時，取等溫段分段考慮。當(dāng)前第2頁\共有51頁\編于星期五\7點1.1氣體通過爐墻小孔的溢出和吸入如圖列1-1至2-2截面伯氏方程：(3)∵

p2=pa

∵是水平流動（Z1=Z2），且氣體通過小孔時壓差很?。?=2）(2)∵F2?F1

w1?w2，w10∴

hk10∴hge1=hge2∴hs2=0[分析]當(dāng)前第3頁\共有51頁\編于星期五\7點因此上面伯式可改寫成：hs1=hk2+∑hL,1-2=(1+ξ)

hk2∴溢氣量：當(dāng)前第4頁\共有51頁\編于星期五\7點流量系數(shù)：=其中：縮流系數(shù)：=F2/F速度系數(shù)：同理，當(dāng)hs1<0時，1-1截面為負壓，計算時取絕對值，書寫時以“吸入”區(qū)別于“溢出”，（即此時是對冷空氣列伯氏方程）：吸氣量：（P13頁表1-3）當(dāng)前第5頁\共有51頁\編于星期五\7點推論：設(shè)零壓面在下面，約定上游在窯內(nèi)，下游在窯外，進一步討論距零壓面以上高度

Z處爐墻小孔的溢氣情況：則：由上下垂直方向的靜力學(xué)方程（設(shè)基準(zhǔn)面在Z高度處)：

hge(零壓面)=hs(Z高度處)＝hk2此推論可解決爐門問題!即：

Z(a-)g=pZ-pa

=當(dāng)前第6頁\共有51頁\編于星期五\7點1.2氣體通過爐門的溢出和吸入爐門中心線零壓面ZdZZ1Z2Z0BH當(dāng)前第7頁\共有51頁\編于星期五\7點爐門寬B，高H，微元面積：dF=BdZ通過微元面的溢氣量:整個爐門的溢氣量：當(dāng)前第8頁\共有51頁\編于星期五\7點將上式中的流量系數(shù)看作常數(shù)（整個爐門的平均流量系數(shù)

），則爐門溢氣量：（精確計算）用牛頓二項式展開后得：∴（近似計算）[結(jié)論]：爐門越寬、越高，漏氣量越大。吸入問題以此類推。當(dāng)前第9頁\共有51頁\編于星期五\7點1.3分散垂直氣流法則水平方向溫差：

t=t

1-t

2加熱時，氣流向下流，

t冷卻時，氣流向上流，

t當(dāng)前第10頁\共有51頁\編于星期五\7點如圖：并聯(lián)通道，設(shè)為等徑(等截面)，熱氣體1122AB∵等截面，hk1

=hk2∴-hs=hge+hL.1-2又∵A、B兩通道是并聯(lián)的∴A、B兩通道靜壓差相等即:-hsA=-

hsB列1-1至2-2截面的伯氏方程為：當(dāng)前第11頁\共有51頁\編于星期五\7點即：A、B兩通道流量（溫度）分布相等的必要條件是——二者的總阻力相等。＝？∴

當(dāng)hge?hL.1-2時，溫度是否分布均勻決定于：當(dāng)前第12頁\共有51頁\編于星期五\7點則：A>B

假設(shè)擾動，使tA<tB，即A通道推動力<QVA>QVBtA直至tA=tB

相反，若氣體自下而上流動(此時幾何壓頭是推動力)，則當(dāng)發(fā)生擾動使tA<tB

時：A>BQVA<

QVBtA，即A通道阻力<當(dāng)前第13頁\共有51頁\編于星期五\7點結(jié)論:（1）煙氣(熱氣體)加熱制品時，熱氣體從上向下走叫“倒焰”(此時幾何壓頭為阻力)，水平溫差小；（2）空氣冷卻制品時，冷氣體從下向上升叫“升焰”(此時幾何壓頭為推動力)，水平溫差小。當(dāng)前第14頁\共有51頁\編于星期五\7點當(dāng)前第15頁\共有51頁\編于星期五\7點分散垂直氣流法則的使用條件(適用條件)：

應(yīng)用于幾何壓頭起主要作用的通道，如傳統(tǒng)的倒焰窯、蓄熱室等。分散垂直氣流法則不適用于：（1）阻力很大的窯；（2）流動速度很大或者說壓差大的窯。作業(yè)：Ｐ64頁1-5當(dāng)前第16頁\共有51頁\編于星期五\7點2可壓縮氣體的流動即：p/p020%，或者p

±20kPa時2.1音速和馬赫數(shù)音速（a）：聲波在氣體中的傳播速度，或者說是聲波在彈性介質(zhì)中的傳播速度。聲波是因機械振動引起的機械彈性波，是縱波（壓縮、放松交替進行）。當(dāng)前第17頁\共有51頁\編于星期五\7點其中：——音速，m/s

E——介質(zhì)的彈性模數(shù)，w/m2

——介質(zhì)的密度，kg/m3因聲波在氣體中的傳播速度很大，引起的溫度變化很微弱，可以認為是絕熱可逆（等熵）過程。由理想氣體的多變方程，得聲波在靜止流體及靜止理想氣體中的傳播速度為：當(dāng)前第18頁\共有51頁\編于星期五\7點若介質(zhì)為空氣，=1.4，R=287（J/kg·K）則空氣中的音速為：t/℃a(空氣中音速)/(m/s)-203190331+20343

可見，音速是氣體（介質(zhì)）溫度的函數(shù)，是一個狀態(tài)函數(shù)；音速的大小反映了氣體的可壓縮程度；音速的方向與飛行物飛行方向相反。當(dāng)前第19頁\共有51頁\編于星期五\7點其中：Ma<1，w<，為亞音速流動馬赫數(shù)：氣體實際流速(w)與當(dāng)?shù)匾羲?a)之比?1，w0，為不可壓縮氣體流動1，w，為跨音速流動>1，w>，為超音速流動當(dāng)前第20頁\共有51頁\編于星期五\7點2.2可壓縮氣體通過漸縮噴嘴噴出罐內(nèi)(0-0面)：ws0，滯止?fàn)顟B(tài)（static）

滯止參數(shù)：ps、Ts、sws(0)如圖2-2截面（出口處）：w達到最大。流動過程中：p、w、、T即氣體在流動過程中，不僅hs（p）

，而且內(nèi)能（T）；當(dāng)前第21頁\共有51頁\編于星期五\7點2.2.1壓強變化規(guī)律流動過程中：ps>p1>p2=pa可看成是絕熱可逆（等熵）過程，其狀態(tài)方程（理想氣體多變方程）：或：其中：

為絕熱指數(shù)，=Cp/CV

單原子氣體：=1.6雙原子氣體：=1.4多原子氣體：=1.3當(dāng)前第22頁\共有51頁\編于星期五\7點——任一截面處壓強（p）與之比，恒等于滯止?fàn)顟B(tài)下ps/s之比。即：2.2.2密度變化規(guī)律由上得：其中：p1/ps<1，1/<1，所以1/s<1，

即

1<

s當(dāng)前第23頁\共有51頁\編于星期五\7點2.2.3溫度變化規(guī)律絕熱過程p相當(dāng)于膨脹，內(nèi)能，所以T

其中：p1/ps

<1，(-1)/<1所以：T1/Ts

<1，即T1<Ts將代入得：另，由理想氣體狀態(tài)方程得：當(dāng)前第24頁\共有51頁\編于星期五\7點2.2.4流速與流量變化規(guī)律根據(jù)能量守恒原理，系統(tǒng)內(nèi)單位質(zhì)量氣體的能量：[J/kg]對于可壓縮氣體，T、、w變化很大，位能與其它各項能量相比很小，故可略去，得下式：----------------(1)當(dāng)前第25頁\共有51頁\編于星期五\7點∵U=CVT，，R=CP－CV，∴代入(1)式得：------------------(2)當(dāng)前第26頁\共有51頁\編于星期五\7點又∵單位質(zhì)量氣體的熱焓：代入(2)得：----------------(3)以上是可壓縮氣體能量守恒的三種表達方式。當(dāng)前第27頁\共有51頁\編于星期五\7點(3)(2)(1)內(nèi)能形式壓強形式熱焓形式當(dāng)前第28頁\共有51頁\編于星期五\7點由(2)式得：代入上式得：其中：

ws0，當(dāng)前第29頁\共有51頁\編于星期五\7點同理，由得流速的三種解法：當(dāng)前第30頁\共有51頁\編于星期五\7點質(zhì)量流量為（）：實際氣體流動時，有能量損失，是非等熵過程，所以：w2′=w2Qm′=Qm、與實際流動狀態(tài)有關(guān)Re106時，＝0.96~0.99

=0.99當(dāng)前第31頁\共有51頁\編于星期五\7點2.2.5極限流速及臨界速度極限流速（p20，即向真空噴出）：此時，Qm=0(真空狀態(tài)下氣體的密度趨于零)實際上因絕對真空是不可能達到的，所以氣體的噴出速度也不可能達到極限速度。當(dāng)前第32頁\共有51頁\編于星期五\7點環(huán)境壓強從pa=ps開始可連續(xù)調(diào)低，出口斷面壓強為p2（p2又稱背壓或反壓）。實驗發(fā)現(xiàn)：開始時，p2隨pa的而，并保持p2＝pa;當(dāng)pa降至某一值后，p2不再隨pa的降低而變低，而是保持一定值不變（并高于環(huán)境壓強，即p2>pa）當(dāng)前第33頁\共有51頁\編于星期五\7點wmaxcrwQmABCDEFGW2=f1(p2/ps)Qm=f2(p2/ps)Qm,max臨界狀態(tài)是流量最大狀態(tài)此時：w2=w2,cr=a（等于當(dāng)?shù)匾羲伲?/p>

cr=p2,cr/ps

（臨界壓強比）擁塞效應(yīng)——流量達到一定值后，流速不再隨壓強比的減小而繼續(xù)增大的現(xiàn)象。當(dāng)前第34頁\共有51頁\編于星期五\7點由流量方程對壓強比（）求導(dǎo)并令其等于零同理可推得：即令：得：當(dāng)前第35頁\共有51頁\編于星期五\7點（2）溫度比（3）音速比（4）臨界流速（5）最大流量（1）密度比當(dāng)前第36頁\共有51頁\編于星期五\7點2.3可壓縮氣體由漸縮至漸擴噴嘴的流動拉伐爾（Larals）噴嘴（nozzle）：2-2斷面(喉部)：Ma=12-2斷面以前(收縮段)：Ma<12-2斷面以后(擴張段)：Ma>1當(dāng)前第37頁\共有51頁\編于星期五\7點氣體參數(shù)與流速的關(guān)系（由能量方程和理想氣體狀態(tài)方程導(dǎo)出）當(dāng)前第38頁\共有51頁\編于星期五\7點(2)流速與截面積的關(guān)系(由連續(xù)性方程導(dǎo)出)(c)超音速流動時：Ma>1，(Ma2-1)>0∴dFdw

正消長關(guān)系(a)亞音速流動時：Ma<1，(Ma2-1)<0∴

dFdw

負消長關(guān)系

(b)跨音速流動時：Ma1，dF、dw不變當(dāng)前第39頁\共有51頁\編于星期五\7點3氣體射流射流——氣流經(jīng)管嘴噴射到空間中去時，由于氣流脫離了原來限制它流動的管道的限制而在空間繼續(xù)擴散流動，這種氣體的流動叫射流。射流分類：(1)按流動狀態(tài)分類：層流、湍流射流；(2)按噴入空間大小分類：自由射流、受限射流。硅酸鹽窯爐中大都是湍流狀態(tài)下的受限射流。當(dāng)前第40頁\共有51頁\編于星期五\7點3.1自由射流(1)等溫自由射流無限大空間、靜止介質(zhì)、介質(zhì)的t、與噴出氣流的相同。氣流由噴嘴噴出后，不受固體邊界的約束，在足夠大的空間內(nèi)自由擴張稱為自由射流。當(dāng)前第41頁\共有51頁\編于星期五\7點質(zhì)量流量Qm動量mw壓強p中心速度wc動能(1/2)mw2w0wc=w0wc<w0(wc=0)FEDCBAG極點M內(nèi)邊界外邊界轉(zhuǎn)折面x核心區(qū)開始段主段邊界層當(dāng)前第42頁\共有51頁\編于星期五\7點自由射流特點：

(1)近似一維流動(2)等壓過程(3)動量守恒（mw=const）(4)質(zhì)量流量增大（Qm）(5)動能減小(6)各截面上速度分布相似經(jīng)驗公式：w/wc=[1-(r/Rx)3/2]2——相對速度是相對位置的函數(shù)當(dāng)前第43頁\共有51頁\編于星期五\7點(2)非等溫、非等濃度自由射流當(dāng)周圍氣體的t、與噴射氣體不同時，介質(zhì)與噴射氣體間有熱量和質(zhì)量交換。由于傳熱和傳質(zhì)速度的差異不十分大，可認為近似相等，所以其特點（規(guī)律）近似等溫等密度自由射流。當(dāng)熱氣體水平射至冷氣體