硅酸鹽工業(yè)熱工基礎15窯爐系統(tǒng)中氣體流動

1、1.5 1.5 流體力學流體力學在硅酸鹽工業(yè)中的應用在硅酸鹽工業(yè)中的應用v1.5.1氣體流動形式v1.5.2窯爐系統(tǒng)中的氣體流動v1.5.3煙囪 1.5.11.5.1氣體流動形式氣體流動形式1.5.1.11.5.1.1窯內氣體流動特點窯內氣體流動特點 窯內氣體運動和氣體在管道內、煙道內的運動是不同的。 1）氣體在窯內主要依靠從燃燒器或燃燒室流出的氣流（煤氣和空氣）的動能（動壓頭）向前流動，窯爐對氣流阻力小，其動能主要消耗在燃料與空氣的混合上; 此外，流股從燃燒室內吸入部分空氣也要消耗能量，并且部分動能轉換成壓力能。 2）窯內壓力分布不均勻，氣流速度分布也不均勻，同時氣流運動的方向取決于入口和出

2、口的條件。 管道內的氣體流動特點：管道內的氣體流動特點： 1）管道內的氣體運動則是依靠靜壓頭向前運動，其能量的消耗主要是局部阻力損失和摩擦阻力損失。 2）管道內如果管道截面不變，氣流速度分布基本上是一定的，壓力分布也均勻入口和出口的條件對每段都是一樣的。1.5.1.21.5.1.2氣體流動形式氣體流動形式氣體流動形式氣體流動形式 自然流動：由于窯爐的工作空間各點的氣體密度差所產生的力，造成氣體的運動，稱為自然流動或自然對流 強制流動：在外力作用下產生的強制運動。 外力可以是：噴嘴噴出流股的摩擦力，窯爐空間或管道末端的壓強差。 在窯爐中，氣體的運動在大多數情況下，是由于氣體本身和外力綜合作用的結

3、果。其中以外力作用為主。1.5.1.31.5.1.3窯內氣體自然分層現象窯內氣體自然分層現象1 1、自然分層現象、自然分層現象 冷熱兩種氣體同時并行時，熱氣體有自然向上流動趨勢，冷氣體有向下自然流動趨勢，這種現象稱為自然分層現象。2 2、產生原因、產生原因 1）溫度：溫度的變化引起密度的變化； 2）窯內負壓：hs=P-Pa吸入大量的空氣； 3）窯內阻力：h料下h料上，導致Q上 Q下（上下溫差引起） 4）窯爐操作的影響 這種自然分層現象會使窯內溫差越來越大，對燒成是不利的。 倒煙窯使熱氣體在窯內倒流，有助于克服自然分層現象； 隧道窯是橫煙窯，在其預熱帶窯內常呈負壓，冷空氣會從窯車下、窯墻下部孔洞

4、吸入，因而極易造成冷熱氣體分層現象。v在硅酸鹽窯爐系統(tǒng)內,氣體的流動大多是屬于不可壓縮氣體的流動。v如氣體在窯爐內的水平流動、垂直流動、從孔口和爐門的流出或吸入等均是不可壓縮氣體的流動。1.5.2 1.5.2 窯爐系統(tǒng)內的氣體流動窯爐系統(tǒng)內的氣體流動1.5.2.11.5.2.1氣體從窯爐內的流出和流入氣體從窯爐內的流出和流入1.1.氣體通過小孔的流出和流入氣體通過小孔的流出和流入當窯爐內外存在壓差時，氣體將從窯爐的孔流出和流入。當窯爐內外存在壓差時，氣體將從窯爐的孔流出和流入。小孔的截面積為小孔的截面積為F F ，氣流形成的最小截面積為，氣流形成的最小截面積為F F2 2 。11常用縮流系數常

5、用縮流系數表示縮流程度表示縮流程度當氣流流經小孔后，當氣流流經小孔后，形成一個最小截面形成一個最小截面的現象的現象縮流現象縮流現象縮流系數：縮流系數：FF2Laaaahppgzppgz2222111112)()(2)(-）（不同形狀孔的不同形狀孔的由實驗確定由實驗確定1-21-2斷面的伯努利方程式為：斷面的伯努利方程式為：11w w1 1wFF2 2，伯努力方程簡化為：伯努力方程簡化為： ikshhh21由于氣體通由于氣體通過小孔時的過小孔時的壓差很小壓差很小2w2wp-p2222a1)p-(p211wa12)(212appw即：即：速度系數速度系數與流體流出時的阻力有關與流體流出時的阻力有關

6、由實驗確定由實驗確定 )2)211222aappFppFFV（)21appFV（通過小孔流出的氣體流量：通過小孔流出的氣體流量：流量系數流量系數= =由實驗確定由實驗確定通過小孔吸入的氣體流量：通過小孔吸入的氣體流量：aappFV)21（v 2 2 氣體通過爐門的流出和吸入氣體通過爐門的流出和吸入 氣體通道爐門流出和吸入量的計算原理與孔口相似，但孔口的直徑較小，在計算時認為沿小孔整個高度上氣體的靜壓頭不變，而爐門有一定的高度、在計算時要考慮沿爐門高度上的靜壓頭變化對氣體流出和吸入量的影響。 無論是哪種形狀的爐門，單位時間內通過微元面積dF的流量，可用氣體面過小孔的流量公式來計算：)(22azP

7、PdFdVv 對于矩形爐門，設爐門的寬度為B，高度為H，在距窯底(假定此處為零壓)z處取一微小單元帶，高度為dz(見圖)，此微小帶元帶的面積dF為：v dF=Bdzv由于窯底處（z=0）為零壓，所以窯底與高度z之間的熱氣體伯努列方程可簡化為：v dzzgBzgBdzdVPPzghhazazazaszg210)(2)(2)(即以z-z為基準面v對于整個爐門的氣體溢出量用積分求得v為了簡化汁算，將上式中的流量系數看作常數，認為是整個爐門上的平均流量系數積分后得矩形爐門氣體體積流出量的計算公式：dzzgBVzza2121)(2;:,;62.052.0)()(23221231232mzzmBzzgBV

8、a上緣至零壓面距離，爐門下緣和：爐門寬度，：爐門流量系數，v爐門氣體體積流出量的近似計算公式；。距離，爐門中心線至零壓面的爐門截面積，mzBHFmFgzFVa:;,:)(2020pw2pFwFV22apFwFV22流出的氣體流量流出的氣體流量: : 流入的氣體流量流入的氣體流量: :爐門或孔洞平爐門或孔洞平面圖形重心處面圖形重心處的平均表壓強的平均表壓強3.3.倒煙窯工作空間沿高度的壓力分布倒煙窯工作空間沿高度的壓力分布例：例：一倒煙窯全高為3.2m，料跺高2.8m，窯爐內煙氣溫度為1200，煙氣的標準狀態(tài)密度為1.3kg/m3，窯外空氣溫度20 ，試分析當零壓面在窯底、窯中和窯頂時窯爐內壓力

9、分布。解：解： 取1-1和2-2截面，以1-1面作為基準面，考慮到hk1=hk2,則伯努利方程為 hs1=hs2+hg2+hl1-2求得氣體和空氣的密度如下PahPahPahPahPaPahHghhhhmkgTTmkgTTsssslgalgssaagg83.32415.16415.1683.32:83.328 . 298. 0)24. 02 . 1 (8 . 92 . 3)(/2 . 12027327329. 1/24. 012002732733 . 12211212112130020300200當窯爐頂為零壓時：當窯中為零壓時：當窯底為零壓時v以上說明三種情況窯內壓力分布以上說明三種情況窯內

10、壓力分布，如圖所示。，如圖所示。 1）當窯底為零壓時，窯內是正壓，熱氣體將從空洞漏出； 2）當窯頂為零壓時，窯內是負壓，窯外冷空氣將吸入窯內； 3）當窯中為零壓時，窯底上部為正壓，下部為負壓，漏氣和吸氣現象都不嚴重。4.4.煙囪底部負壓計算煙囪底部負壓計算將窯爐通道按溫度變化情況劃分為若干段，如a、b、c段a段： hs1+hg1+hk1=hs2+hg2+hk2+hl1-2b段： hs22+hg22+hk22=hs3+hg3+hk3+hl2-3c段： hs33+hg33+hk33=hs4+hg4+hk4+hl3-2由于各段氣體平均密度不同，因此，hg2與hg22、hk2與hk22.不相等。將三方

11、程相加，若干靜壓頭可消去。同時按一般工程計算要求，可以認為hk2與hk22、hk3與hk33相等。 則得hs1+hg1+hk1+hg22+hg33=hg2+hg3+hs4+hg4+hk4+hl1-4Hk4=hs1+（hg1+hg22-hg2+hg33-hg3-hg4）+（hk1-hk4） -hl1-4 分析上式可以看出，右邊的第2、第3、第4項都是負號。第2項是氣體由1-1截面至4-4截面位壓頭的增加，第三項是氣體動壓頭的增加。因此，在計算時可以把位壓頭和動壓頭的增加，看成好像是一種“壓頭損失”。它們與真正的壓頭損失相加的總壓頭損失是由最初的靜壓頭來補充。此時 這些“損失”之和大大超過最初的靜

12、壓頭，因而總是一個不小的負值。通常不說煙囪底部的靜壓頭，而常說“負值”。hk4=hs1-hg-hk -hl1-41.5.3 1.5.3 分散垂直氣流法則分散垂直氣流法則分散垂直氣流分散垂直氣流一股氣流在垂直通道內一股氣流在垂直通道內被分割成多股平行被分割成多股平行小氣流的現象。小氣流的現象。法則法則在分散垂直通道內，熱氣體應自上而下流動，在分散垂直通道內，熱氣體應自上而下流動，冷氣體應自下而上流動，才能使氣流溫度分布均勻。冷氣體應自下而上流動，才能使氣流溫度分布均勻。適適用用 條件條件幾何壓頭幾何壓頭起主要作用的場合起主要作用的場合v氣體垂直流動的方向對水平方向的溫度分布有很大影響。如氣體在倒

13、焰窯的料垛之間，立式蓄熱室的格子體內的流動，都可以看作是分散垂直氣流。v在設計倒焰窯和蓄熱室時，總是使熱氣體自上而下地流動，冷氣體自下而上流動，使氣體的流動遵循分散垂直氣流法則。v下面用熱氣體的伯努利方程式來說明此法則。假設氣體在垂直方向運動，假設氣體在垂直方向運動，hlhl很小，很小，hgehge起作用起作用1 1）熱氣體被冷卻）熱氣體被冷卻熱氣體從下往上流動熱氣體從下往上流動 假設假設后由于某種原因，使后由于某種原因，使則則 21tt 不均勻氣體在通道內溫度分布通道內流量增加通道內流量減少，此時幾何壓頭為推動力2121211)(ttQQbahHghgeage分散垂直氣流法則分散垂直氣流法則21tt21t1t2熱氣體從上往下流動熱氣體從上往下流動 假設假設后由于某種原因，使后由于某種原因，使則則 21tt 2112121211)(tttQQhhhhHghgegegegeage為阻力，21tt212 2）冷氣體被加熱）冷氣體被加熱 冷氣體由上往下流動冷氣體由上往下流動假設假設后由于某種原因，使后由于某種原因，使則則 21tt 2112112112111)()(ttttttQQQhhhHghgegegeage）相對處的冷氣體越來越多，處的冷氣體越來越小，（為推動力，）（21tt2