第二章 熱處理爐內(nèi)氣體運動

第二章熱處理爐內(nèi)氣體運動熱處理爐內(nèi)氣體的運動影響：爐溫的均勻性爐內(nèi)氣氛的均勻性爐內(nèi)熱交換爐子的安全操作本章的主要內(nèi)容：靜止氣體的能量、爐內(nèi)氣體與爐外氣體的相互作用、氣體運動的動力和阻力以及伯努利方程，并運用這些規(guī)律分析熱處理爐內(nèi)氣體壓力分布及其運動規(guī)律。本章的思路：研究氣體在運動中能量的轉(zhuǎn)化，借以分析、計算和引導(dǎo)爐內(nèi)氣體運動狀態(tài)。第一章§2－1氣體靜力學(xué)及應(yīng)用一、靜止氣體的能量

1、基本定義a)氣體壓力(P)：氣體作用于容器單位面積上的力(Pa或N/m2)；b)相對壓力(△P)：同一水平面上容器內(nèi)的P與大氣壓(Pα)之差；測量方法：U形管法，△P＝P－Pα＝ρgh

引申定義：相對零壓(P＝Pα)

相對正壓(P＞Pα)

相對負壓(P＜Pα)

真空度：相對負壓值？第一章c)氣體靜壓能(ES):ES

＝P

定義的由來：dW＝PAd

l＝PdVES

＝dW/dV＝P

定義的理解：從力的角度：P為氣體靜壓力；從能量角度：P為氣體靜壓能；因此：氣體壓力是氣體分子儲存能量的一種表現(xiàn)形式。第一章d)氣體位能(Ep)：Ep＝ρgz

定義的由來：由一般物體位能定義引申而來；對于體積dV的靜止氣體，距基準(zhǔn)面距離z時的位能為：ρdVgz

則單位體積氣體的位能為：

Ep＝ρdVgz/dV＝ρgz第一章2、靜止氣體的平衡方程式及壓力分布

問題：

容器中靜止氣體的壓力分布有何規(guī)律？

考慮思路：

將靜止氣體任意位置微元視為一整體；分析其力學(xué)狀態(tài)，根據(jù)靜止條件求解其平衡方程；由平衡方程了解靜止氣體壓力分布規(guī)律。第一章a)氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)，受力必須平衡。即：各力在x、y、z軸上的投影和為零。b)對于z軸方向有：消去并積分有：該式表征了在重力場中不可壓縮流體的壓力分布規(guī)律。

第一章c)分析在為常數(shù)的靜止氣體中，壓力沿高度方向成線性分布，斜率為。靜止氣體中任一高度處的靜壓能與位能之和為常數(shù)。

第一章d)結(jié)論

靜止氣體的絕對壓力隨高度的增大而減小，

且呈線性分布，其斜率為。該結(jié)論可近似地運用于一般爐內(nèi)氣體的壓力分布分析。第一章二、靜止?fàn)t氣對爐外空氣的相對能量—（壓頭的概念）

1、基本定義a)壓頭：單位體積爐氣與同水平面上爐外單位體積空氣能量差。b)靜壓頭：單位體積爐氣的靜壓能Pg與同水平面單位體積爐外空氣的靜壓能Pa之差，以hs表示。hs=Pg－Pac)位壓頭：單位體積爐氣的位能與同水平面上單位體積爐外空氣的位能差，以hp表示。hp

第一章2、靜止?fàn)t氣壓頭分布規(guī)律問題：靜止?fàn)t氣的壓頭如何分布？考慮思路：壓頭概念是與爐外氣體密切相關(guān)的量，考慮壓頭分布時聯(lián)系爐外氣體量綜合考慮；先分析清靜壓頭和位壓頭的分布，再考慮總壓頭的規(guī)律。第一章a)靜壓頭的分布根據(jù)靜止氣體壓力分布規(guī)律，Pg與Pa的分布呈兩條不同斜率的直線，斜率分別為－1/ρgg和－1/ρag，一般ρg<ρa，所以Pg分布直線較Pa陡，兩直線交于Q點，此處爐氣靜壓頭為零。有：

Pg＝Pa＝P0

或：

Pg－Pa＝0第一章靜壓頭分布規(guī)律：

hs=Pg－Pa＝（ρa－

ρg）gH零壓面以上，爐氣的靜壓頭為正，越往上其正值越大，因此，從爐壁開口會向外溢氣；零壓面以下，爐氣的靜壓頭為負，越往下其負值越大，因此，從爐壁開口會吸入冷空氣。第一章b)位壓頭的分布

位壓頭的物理意義：單位面積上的熱爐氣所受到的爐外同一水平面上冷空氣的浮力大小的量度。注意：浮力是力，壓頭是能量。計算式習(xí)慣上寫為：

hp＝分析爐氣浮動能力

對流第一章c)靜止?fàn)t氣靜壓頭與位壓頭關(guān)系（總壓頭）由：兩式相減：即：結(jié)論：不同高度上的靜壓頭和位壓頭之和為定值；靜壓頭大處，位壓頭必小，反之亦然；壓頭守恒。第一章3、關(guān)于壓頭的幾個問題

a）壓頭的產(chǎn)生原因 與都歸因于爐氣與外部空氣的密度差（或溫度差）。

b）為什么靜壓頭用于分析爐膛的溢氣與吸氣？ 位壓頭用于分析爐氣的浮動能力？首先，爐膛既不是完全密閉又不是完全敞開，爐內(nèi) 與爐外存在聯(lián)系，才促進產(chǎn)生了壓頭的概念。其次，爐氣在水平平面上存在與爐外氣體交換；在 垂直水平面上存在上下浮動兩種行為方式，而 壓頭是這兩種行為方式的原因。

第一章c）與計算式中H和z的理解

H是考察面到零壓面的距離，z是考察面到基準(zhǔn)面的距離，兩者在概念上完全不同； 零壓面不能隨便定，是實際爐膛狀況決定的； 基準(zhǔn)面是可以自由設(shè)定的，只是在一次考察多個面時，基準(zhǔn)面要一致才能進行比較，一旦確定了基準(zhǔn)面就能確定考察面的氣體是向基準(zhǔn)面還是背離基準(zhǔn)面的運動趨勢； 基準(zhǔn)面的運動趨勢無法確定（由于Z=0），所以一般為了考察爐膛內(nèi)各處氣體的運動，將基準(zhǔn)面確定在爐膛的高度方向上的極限位置（多數(shù)是爐頂）。第一章三、爐氣靜力學(xué)在熱處理爐上的應(yīng)用

利用爐氣靜壓頭和位壓頭的概念，可對熱處理爐中的許多問題作定性的分析和解釋：

(一)爐膛溢氣和吸氣熱處理爐爐膛的溢氣和吸氣對爐子工作都是不利的。爐氣外溢會散失大量熱量，同時損壞爐門構(gòu)件并妨礙操作。爐膛吸入冷空氣則不僅使?fàn)t溫降低，爐溫不均勻，增加能源消耗而且會加劇工件的氧化和脫碳?？刂茽t膛的溢氣和吸氣的主要途徑之一是適當(dāng)控制爐氣的零壓面。

熱處理爐爐膛的相對零壓面大體上有如下幾種情況·(1)對于一般箱式電阻爐，如果爐膛封閉嚴(yán)密，爐氣只在爐底處與大氣相通，則爐氣的零壓面處在爐底，整個爐膛內(nèi)的爐氣靜壓頭為正值（a)。在這種情況下，如爐壁上有空隙，爐氣必然會由此空隙溢出。

(2)對于氣密性很好的爐膛，在剛打開爐門時，因爐氣靜壓頭為正，將溢氣而導(dǎo)致爐內(nèi)壓力降．相當(dāng)于Pg直線左移，從而使零壓面上升(b)，爐口下部靜壓頭就變?yōu)樨撝刀肜淇諝狻＿@樣，零壓面逐漸上升，直至開啟的爐門下沿為止。但在連續(xù)加熱的情況，相對零壓面將會穩(wěn)定在一定位置上，使上部溢氣與下部吸氣相平衡。

在爐門關(guān)閉時，若爐門與爐門框壓合不緊，零壓面亦會上升，同樣出現(xiàn)上口濫氣，下口吸氣的現(xiàn)象，其情況與打開爐門時相似(見圖c)。

(3)當(dāng)爐膛內(nèi)通入可控氣氛并采用水封增壓和保持爐膛嚴(yán)格密封時，爐氣壓力將顯著增加，這相當(dāng)于Pg直線右移，從而使零壓面下降，爐底處爐氣靜壓頭亦為正值(見圖d)。在這種情況下，爐膛內(nèi)的靜壓主要決定于外加的壓力(水封的水柱高度)，爐膛各處的靜壓可認為接近相等。

(4)在真空爐內(nèi)，爐氣壓力很低，整個爐膛都處于相對負壓狀態(tài)，靜壓頭均為負值。

(二)煙囪的抽氣作用

圖1-10為爐膛和煙囪系統(tǒng)示意圖。要使?fàn)t氣能從燃燒室順利流過爐膛、煙道，最后從煙囪上口排出，就必須使煙囪底部爐氣的靜壓力低于燃燒室和爐膛內(nèi)爐氣的靜壓力。煙囪的作用就在于此。現(xiàn)利用靜止氣體的基本方程來分析煙囪的抽氣作用。（二）煙囪的抽氣原理第一章Ⅱ面上：

兩式相減，有：

Ⅱ面上的位壓頭 且>0§2－2氣體動力學(xué)及伯努力方程一、氣體流動的性質(zhì)

1、氣體流量和速度a)氣體流量（q）：單位時間內(nèi)通過給定面積 的氣體量；體積流量：

質(zhì)量流量：第一章

b)流量、速度和管道截面積的關(guān)系★基本關(guān)系：★考慮溫度影響：某溫度t下的氣體體積Vt

與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積

V0有：則：第一章c)有效性

氣體流動時，通常分為高速和低速兩類；高速氣流壓力梯度很大，氣體密度變化較大；低速氣流壓力梯度很小，氣體密度變化不大；爐氣在爐膛和煙道內(nèi)流動屬低速氣流，可運 用不可壓縮氣體推導(dǎo)出來的公式。氣體高速流動時，氣流壓力梯度很大，氣體 密度變化也較大，不能運用由不可壓縮 氣體推導(dǎo)出來的公式。第一章

2、氣體的流動形態(tài)層流：流體質(zhì)點都作有規(guī)律的平行運動，流層間不相混合，質(zhì)點沒有徑向運動；紊流：流體質(zhì)點不僅沿前進方向運動，而且還向各個方向作不規(guī)則運動，不停地互相混合。第一章 管道中的紊流 流體在管道中作紊流流動時，并非在整個截面上都是紊流，在緊貼管壁處存在一極?。◣追种缓撩祝┑膶恿?，稱為層流底層；流體在管內(nèi)穩(wěn)定紊流時，管道截面上的速度在靠近截面處變化最大，而在離流動壁面稍遠處的紊流核心流速呈對數(shù)分布，速度變化很小。紊流越劇烈，速度越接近一致。第一章紊流形成條件 四個物理量組成的無量綱數(shù)：雷諾數(shù)

:管道當(dāng)量直徑，；

:管道截面積，:管道周長；ν:速度,μ:粘度,ρ:密度.

決定了紊流發(fā)生與否，當(dāng)<2320時，流體呈層流流動，當(dāng)>2320時，層流失穩(wěn)，逐漸成為紊流。

3、氣體的粘性a)概念：氣體流動時，內(nèi)部各層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦 力（或切應(yīng)力）的性質(zhì)為氣體的粘性。 粘性的大小為粘度。b)動力粘度系數(shù)：動力粘度系數(shù)（簡稱粘度）單位：

第一章c）溫度的影響

:T溫度時動力粘度系數(shù)；

:273（K）時動力粘度系數(shù);氣體粘度隨溫度升高而增大。 與壓力關(guān)系不大。不考慮氣體粘性的氣體稱為理想氣體，有時為簡化問題的分析過程，常忽略氣體的粘性。

4、氣體的動能與動壓頭單位體積氣體的動能:氣體的動壓頭：指管道內(nèi)流動的單位體積氣體相對于爐外空氣所具有的動能，亦即管內(nèi)外兩種氣體的動能差。二、爐氣在運動中的能量損失 存在兩種主要能量損失形式： 摩擦能量損失： 局部能量損失： 一般表達式：第一章1、摩擦能量損失 氣體在管道內(nèi)流動時因氣體與管道壁和氣體分子間的摩擦力而產(chǎn)生的能量損失。

L：管道長度

d：管道當(dāng)量直徑

：摩擦阻力系數(shù)0.05（磚砌管道）0.045（生銹金屬管道）0.03（光滑金屬管道）

2．局部能量損失

由局部阻力引起的能量損失．即由于管道突然轉(zhuǎn)向或截面變化而引起局部氣流運動方向或速度改變，使氣流內(nèi)