1.2 窯爐系統(tǒng)內的氣體流動ppt課件

1、陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動1陜西科技大學材料科學與工程學院1-2 窯爐系統(tǒng)內的氣體流動窯爐系統(tǒng)內的氣體流動窯爐系統(tǒng)內的氣體流動主要有三種類型：窯爐系統(tǒng)內的氣體流動主要有三種類型：（1）不可壓縮氣體的流動，）不可壓縮氣體的流動， = const（2）可壓縮氣體的流動，）可壓縮氣體的流動， const（3）射流（流股）射流（流股）1；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動2陜西科技大學材料科學與工程學院1 不可壓縮氣體的流動不可壓縮氣體的流動 在高溫窯爐中，由于氣體

2、的組成、溫度在高溫窯爐中，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，如截取某一有限單元體，如水平爐膛、垂直通水平爐膛、垂直通道、局部孔口道、局部孔口等作為研究對象，則可視為恒等作為研究對象，則可視為恒密度（不可壓縮）氣體的流動。密度（不可壓縮）氣體的流動。 即當溫度波動大時，取等溫段分段考慮。即當溫度波動大時，取等溫段分段考慮。2；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動3陜西科技大學材料科學與工程學院1.1 氣體通過爐墻小孔的溢出和吸入氣體通過爐墻小孔的溢出和

3、吸入)21 (222111Lksgeksgehhhhhhh 列列1-1至至2-2截面伯氏方程：截面伯氏方程：(3) p2 = pa 是水平流動（是水平流動（Z1=Z2），且氣體），且氣體 通過小孔時壓差很?。ㄍㄟ^小孔時壓差很小（ 1= 2）(2) F2 F1 w1 w2，w1 0 hk1 0 hge1 = hge2 hs2 = 0分析分析3；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動4陜西科技大學材料科學與工程學院因此上面伯式可改寫成：因此上面伯式可改寫成：hs1 = hk2 + hL, 1-2 =(1+) hk2)(2)(211112

4、aappppw溢氣量：溢氣量：)(2)(211222aappFVppFFwwFV溢溢221211wppa4；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動5陜西科技大學材料科學與工程學院流量系數(shù)：流量系數(shù)： = 其中：其中：縮流系數(shù)：縮流系數(shù)： =F2/F11速度系數(shù)：速度系數(shù)：同理，當同理，當hs1 B 假設擾動，使假設擾動，使tA tB，即，即A通道推動力通道推動力AgehBgeh QVBtA直至直至tA= tB 相反，若氣體自下而上流動相反，若氣體自下而上流動(此時幾何壓頭此時幾何壓頭是推動力是推動力)，則當發(fā)生擾動使，則當發(fā)生擾動使

5、tA B QVA QVBtA，即，即A通道阻力通道阻力AgehBgeh13；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動14陜西科技大學材料科學與工程學院結論結論:（1）煙氣）煙氣(熱氣體熱氣體)加熱制品時，熱氣體從加熱制品時，熱氣體從上向下走叫上向下走叫“倒焰倒焰”(此時幾何壓頭為阻力此時幾何壓頭為阻力)，水平溫差小；水平溫差?。唬?）空氣冷卻制品時，冷氣體從下向上升）空氣冷卻制品時，冷氣體從下向上升叫叫“升焰升焰”(此時幾何壓頭為推動力此時幾何壓頭為推動力)，水平溫，水平溫差小。差小。 14；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱

6、熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動15陜西科技大學材料科學與工程學院15；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動16陜西科技大學材料科學與工程學院分散垂直氣流法則的使用條件分散垂直氣流法則的使用條件(適用條件適用條件)： 應用于幾何壓頭起主要作用的通道，應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。如傳統(tǒng)的倒焰窯、蓄熱室等。分散垂直氣流法則不適用于：分散垂直氣流法則不適用于：（1）阻力很大的窯；）阻力很大的窯；（2）流動速度很大或者說壓差大的窯。）流動速度很大或者說壓差大的窯。作業(yè)：作業(yè)：64頁頁

7、1-516；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動17陜西科技大學材料科學與工程學院2 可壓縮氣體的流動可壓縮氣體的流動即：即： p/p0 20%，或者或者 p 20kPa時時2.1 音速和馬赫數(shù)音速和馬赫數(shù)音速（音速（a）：）：聲波在氣體中的傳播速度，聲波在氣體中的傳播速度，或者說是聲波在彈性介質中的傳播速度。或者說是聲波在彈性介質中的傳播速度。 聲波是因機械振動引起的機械彈性波，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）。是縱波（壓縮、放松交替進行）。17；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基

8、礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動18陜西科技大學材料科學與工程學院Ea 其中：其中： 音速，音速，m/s E 介質的彈性模數(shù)，介質的彈性模數(shù)，w/m2 介質的密度，介質的密度，kg/m3a因聲波在氣體中的傳播速度很大，引起的溫度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：體及靜止理想氣體中的傳播速度為：pTRa18；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內

9、內的的氣氣體體流流動動19陜西科技大學材料科學與工程學院若介質為空氣，若介質為空氣， =1.4，R =287（J/kgK）則空氣中的音速為：則空氣中的音速為：TTa04.202874 . 1t / a (空氣中音速空氣中音速)/(m/s)-203190331+20343 可見，音速是氣體（介質）溫度的函數(shù)，可見，音速是氣體（介質）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。壓縮程度；音速的方向與飛行物飛行方向相反。19；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣

10、氣體體流流動動20陜西科技大學材料科學與工程學院awMa 其中：其中：Maa1，w 1，w ，為超音速流動為超音速流動20；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動21陜西科技大學材料科學與工程學院2.2 可壓縮氣體通過漸縮噴嘴噴出可壓縮氣體通過漸縮噴嘴噴出罐內罐內(0-0面面)：ws 0 ，滯止狀態(tài)（，滯止狀態(tài)（static） 滯止參數(shù)：滯止參數(shù)：ps、Ts、 s ws( 0)2-2截面（出口處）：截面（出口處）：w達到最大。達到最大。流動過程中：流動過程中：p 、w 、 、T 即氣體在流動過程中，不僅即氣體在流動過程中，不僅hs

11、（p ） ，而，而且內能且內能 （T ）；）；21；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動22陜西科技大學材料科學與工程學院2.2.1 壓強變化規(guī)律壓強變化規(guī)律流動過程中：流動過程中：psp1p2=pa 可看成是絕熱可逆（等熵）過程，其狀可看成是絕熱可逆（等熵）過程，其狀態(tài)方程（理想氣體多變方程）：態(tài)方程（理想氣體多變方程）：constpVconstp或：或： 其中：其中： 為絕熱指數(shù)，為絕熱指數(shù)， = Cp/CV 單原子氣體：單原子氣體： =1.6 雙原子氣體：雙原子氣體： =1.4 多原子氣體：多原子氣體： =1.322；.陜西

12、科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動23陜西科技大學材料科學與工程學院任一截面處壓強（任一截面處壓強（p）與）與 之比，恒之比，恒等于滯止狀態(tài)下等于滯止狀態(tài)下ps/ s 之比。之比。sspp11即：即：2.2.2 密度變化規(guī)律密度變化規(guī)律由上得：由上得：111sspp其中：其中：p1/ps1，1/ 1，所以所以 1/ s 1， 即即 1 s 23；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動24陜西科技大學材料科學與工程學院2.2.3 溫度變化規(guī)律溫度變化規(guī)律絕熱過程絕熱過程 p

13、相當于膨脹，內能相當于膨脹，內能 ，所以，所以T 111TpTpsss111ssppTT其中：其中：p1/ps 1，( -1) / 1所以：所以：T1/Ts 1，即即T1 pa ）33；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動34陜西科技大學材料科學與工程學院wmaxspp2 crwQmABCDEFGW2=f1(p2/ps)Qm=f2(p2/ps)Qm,max臨界狀態(tài)是流量最大狀態(tài)臨界狀態(tài)是流量最大狀態(tài)此時：此時：w2 = w2,cr= a （等于當?shù)匾羲伲ǖ扔诋數(shù)匾羲伲?cr = p2,cr/ps （臨界壓強比）（臨界壓強比）擁塞

14、效應擁塞效應流量流量達到一達到一定值后，定值后，流速流速不再隨壓強不再隨壓強比的減小而繼續(xù)增大的現(xiàn)比的減小而繼續(xù)增大的現(xiàn)象。象。34；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動35陜西科技大學材料科學與工程學院由流量方程對壓強比（由流量方程對壓強比（ ）求導并令其等于零）求導并令其等于零0ddQm同理可推得：同理可推得： 1, 212scrcrpp即令：即令：得：得：35；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動36陜西科技大學材料科學與工程學院2112scraacrcrssc

15、raRTpw1211max,12sscrmpFQ12scrTT（2）溫度比）溫度比（3）音速比）音速比（4）臨界流速）臨界流速（5）最大流量）最大流量（1）密度比）密度比1112scr36；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動37陜西科技大學材料科學與工程學院2.3 可壓縮氣體由漸縮至漸擴噴嘴的流動可壓縮氣體由漸縮至漸擴噴嘴的流動拉伐爾（拉伐爾（Larals）噴嘴（）噴嘴（nozzle）：）： 2-2斷面斷面(喉部喉部)：Ma=1 2-2斷面以前斷面以前(收縮段收縮段)： Ma137；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工

16、工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動38陜西科技大學材料科學與工程學院 氣體參數(shù)與流速的關系（由能量方程氣體參數(shù)與流速的關系（由能量方程和理想氣體狀態(tài)方程導出）和理想氣體狀態(tài)方程導出）wdwMaTdT2) 1( wdwMad2wdwMapdp238；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動39陜西科技大學材料科學與工程學院(2) 流速與截面積的關系流速與截面積的關系(由連續(xù)性方程導出由連續(xù)性方程導出)wdwMaFdF) 1(2(c) 超音速流動時：超音速流動時：Ma1， (Ma2-1)0 dF dw 正消長關系正消長

17、關系(a) 亞音速流動時：亞音速流動時：Ma1，(Ma2-1)0 dF dw 負消長關系負消長關系 (b) 跨音速流動時：跨音速流動時：Ma 1，dF 、dw不變不變39；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動40陜西科技大學材料科學與工程學院3 氣體射流氣體射流射流射流氣流經(jīng)管嘴噴射到空間中去時，由于氣流經(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?？臻g繼續(xù)擴散流動，這種氣體的流動叫射流。射流分類射流分類： (1) 按流動狀態(tài)分類

18、：層流、湍流射流；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、受按噴入空間大小分類：自由射流、受 限射流。限射流。硅酸鹽窯爐中大都是湍流狀態(tài)下的受限射流。硅酸鹽窯爐中大都是湍流狀態(tài)下的受限射流。40；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動41陜西科技大學材料科學與工程學院3.1 自由射流自由射流(1) 等溫自由射流等溫自由射流無限大空間、靜止介質、介質的無限大空間、靜止介質、介質的t、 與噴與噴出氣流的相同。出氣流的相同。氣流由噴嘴噴出后，不受固體邊界的約束，氣流由噴嘴噴出后，不受固體邊界的約束，在足夠大

19、的空間內自由擴張稱為自由射流。在足夠大的空間內自由擴張稱為自由射流。41；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動42陜西科技大學材料科學與工程學院質量流量Qm動量 mw壓強 p中心速度 wc動能 (1/2)mw2w0wc=w0wcw0(wc=0)FEDCBAG極點 M內邊界外邊界轉折面x核心區(qū)開始段主段邊界層42；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動43陜西科技大學材料科學與工程學院 自由射流特點：自由射流特點： (1) 近似一維流動近似一維流動 (2) 等壓過程等壓過

20、程 (3) 動量守恒（動量守恒（mw=const） (4) 質量流量增大（質量流量增大（Qm ） (5) 動能減小動能減小 (6) 各截面上速度分布相似各截面上速度分布相似 經(jīng)驗公式：經(jīng)驗公式： w/wc=1-(r/Rx)3/22 相對速度是相對位置的函數(shù)相對速度是相對位置的函數(shù)43；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動44陜西科技大學材料科學與工程學院(2) 非等溫、非等濃度自由射流非等溫、非等濃度自由射流 當周圍氣體的當周圍氣體的t、 與噴射氣體不同時，介與噴射氣體不同時，介質與噴射氣體間有熱量和質量交換。由于傳熱質與噴射氣體

21、間有熱量和質量交換。由于傳熱和傳質速度的差異和傳質速度的差異不十分大不十分大，可認為，可認為近似相等近似相等，所以其特點（規(guī)律）近似等溫等密度自由射流。所以其特點（規(guī)律）近似等溫等密度自由射流。 當熱氣體水平射至冷氣體時：當熱氣體水平射至冷氣體時： a，射流，射流軸線向下彎曲軸線向下彎曲(重力作用重力作用)射流彎曲現(xiàn)象射流彎曲現(xiàn)象44；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動45陜西科技大學材料科學與工程學院空氣空氣煤氣煤氣sa 內內上升的距離：上升的距離：向上加速度：向上加速度：ga內221as 45；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯窯爐爐系系統(tǒng)統(tǒng)內內的的氣氣體體流流動動46陜西科技大學材料科學與工程學院3.2 受限射流受限射流指介于自由射流與管流之間的氣體流動，指介于自由射流與管流之間的氣體流動，即既受限又不能充滿整個空間。即既受限又不能充滿整個空間。III區(qū)區(qū)I區(qū)區(qū)II區(qū)區(qū)C回流區(qū)回流區(qū)旋渦區(qū)旋渦區(qū)主流區(qū)主流區(qū) p46；.陜西科技大學材料科學與工程學院材材料料熱熱工工基基礎礎 |窯