1、气体力学在窑炉中的应用.ppt

第1章气体力学在窑炉中的应用 1 0概述 一 气体力学概念 气体力学是从宏观角度研究气体平衡和流动规律的一门学科 二 研究气体力学意义1 气体在工业窑炉中的作用载热体 反应剂 雾化剂2 气体流动与工业窑炉的操作与设计密切相关主要有 气体的流动状态 速度 方向对热交换过程的影响 气流的混合对燃烧的影响 气流的分布对炉温炉压的影响 1 1气体力学基础 1 1 1气体的物理属性 1 1 1 1理想气体状态方程 在温度不过低 T 20 压强不过大 p 200atm 时 气体遵守理想气体状态方程pv RT其中 R 8314 3 M J kg K P 气体的绝对压强 Pa T 气体的温度 K v 气体的比容 m3 kg 1 1 1 2气体的压缩性和膨胀性1 气体的压缩性 定义 流体在外力作用下改变自身容积的特性 温度一定 P V 表示 压缩系数 p 当温度不变时 压强每增加1帕时 流体体积的相对变化率 气体 压缩系数很大 为可压缩流体 特殊情况 压强变化较小时视为不可压缩 理想气体 或 温度一定 P V 理想气体的压缩系数 标态 在无机材料工业窑炉中 窑炉中的气体可看作是不可压缩气体 在某些高压喷嘴中 应将气体视作可压缩气体 2 气体的膨胀性 定义 流体受热 或冷却 后改变自身容积的特性表示 1 K 气球受热膨胀 膨胀系数 T 压强不变时 温度升高1K时 流体体积的相对变化率 气体 膨胀系数很大 温度变化时体积变化很大 理想气体 压强一定 T V 理想气体膨胀系数 标态 1 1 1 3气体粘性1 定义 气体内部质点或流层间因相对运动而产生内摩擦力以反抗相对运动的性质 粘性产生原因 相邻气体层间分子的内聚力阻碍其相对滑动 即分子间吸引力 气体内部分子的紊乱运动 使两层流体间有分子相互掺混产生动量交换 主要原因 2 粘性产生原因 神八飞船返回舱在内蒙古四子王旗着陆 表面受气体摩擦灼烧现象明显 牛顿内摩擦定律 运动流体的内摩擦力的大小与两层流体之间的速度梯度成正比 单位面积上的内摩擦力 动力粘度 速度梯度 动力粘度或动力粘滞系数 单位 N s m2或kg m s或Pa s 3 绝对粘度与相对粘度 相对粘度 恩氏粘度 国际赛氏秒 商用雷氏秒等 我国常采用恩氏粘度 单位 m2 s 单位 N s m2或kg m s或Pa s 4 混合气体的粘度计算公式 式中 n 混合气体的种类数 m 混合气体的粘度 Mi i i 混合气体中各组分的分子量 体积百分数 粘度 5 粘度与温度的关系 1 影响粘度的因素液体 主要取决于分子间的内聚力 温度T增大 分子间距增加 内聚力减小 黏度降低 气体 主要取决于分子紊乱运动 温度T增大 分子热运动增强 黏度增大 2 气体的粘度与温度的关系 C 与气体性质有关的常数 见表1 1 1 1 1 4气体的浮力液体 一般可不考虑其在气体浮力的作用气体 考虑其气体浮力的影响 例如 在空气中有两个同样大小的流体柱 高10m 截面积为1m2 1 1 2气体动力学基本方程式 质量守恒原理 连续性方程 热力学第一定律 能量方程 柏努利方程 牛顿第二定律 动量方程 1 1 2 1连续性方程 在流场中取微元六面体 根据质量守恒定律 推出空间流动的连续性方程 方程适用条件 可压缩流体 恒定流和非恒定流 讨论 1 对于定常流动 运动参数不随时间变化 则 上式变为 2 对于不可压缩流体 常数 上式变为 对于管流 在管路没有泄漏和补充的情况下 在同一时间内 流进任一截面的流体的质量和从另一截面流出的流体质量相等 表达式 M M出A1w1 1 A2w2 2 Aw 对不可压缩流体 为常数 1 1 2 2伯努利方程 流体的能量分析 单位体积流体所具有的能量 能量除以流体体积即得相应压头 几何压头 1 伯努利方程 1 理想流体的伯努利方程 理想流体在变截面和管道中等温而稳定地缓变流动 任意取两个截面1 1和2 2 如图 据能量守恒定律可得 伯努利方程 不可压缩的理想流体在等温流动过程中 在管道的任一截面上 流体的静压能 位能及动能之和是不变的 三者之间可以相互转化 2 实际情况下的伯努利方程 实际流体有粘性 流动过程中有能量损失 能量方程 3 窑炉中热气体的伯努利方程 4 伯努利方程的简写式 5 有能量输入或输出时 2 窑炉中热气体伯努利方程 二流体 上式适用条件 a 不可压缩流体 b 质量力仅有重力 c 恒定流动注意问题 基准面的选择一定在上方 几何压头 动压头 静压头 阻力损失 1 静压头 物理意义 热气体相对于外界同高度冷气体压强的值 相对压 2 相对几何压头 物理意义 单位体积热气体相对于外界同高度冷气体位能之差 3 动压头 物理意义 单位体积的热气体所具有的动能 4 压头损失 物理意义 表示两截面间单位体积的热气体损失的总能量 即 摩擦阻力损失和局部阻力损失的总和 摩擦阻力系数 与流体流态有关 局部阻力系数 见附录2 5 流体流动状态及判断雷诺实验 层流 过渡流 紊流 流体的三种流态 A 层流 流体作有规则的平行流动 质点之间互不干扰混杂 B 过渡流 质点沿轴向前进时 在垂直于轴向上也有分速度 C 紊 湍 流 质点间相互碰撞相互混杂 运动轨迹错综复杂 流态判断 雷诺准数 圆形管道d为直径 非圆形管道用当量直径 当量直径de 水利半径RH 4 水利半径 Re 2300时 流态为层流 Re 10000时 流态为湍流 2300 Re 10000时 流态为过渡流 3 压头间的转换 1 几何压头和静压头之间的转变 1 1和2 2的伯努力方程 取上部为基准面 所以 则hs2 hs1 即hs hg 几何压头视为 能量损失 热气体在垂直管道由中由上向下流动 且管径不变 注意 当热气体从下向上运动时 几何压头相当于推动力当热气体从上向下运动时 几何压头相当于阻力 2 动压头和静压头之间的转变 流体在一水平的 逐渐扩张的管道中流动 1 1和2 2的伯努力方程 因为hk1 hk2 则hs2 hs1 即hk hs 同理流体在渐缩管道中流动时 hs hk 3 压头的综合转变 热气体由下向上在截面逐渐变小的垂直管道中流动 1 1和2 2的伯努力方程 2 2截面为基准面 hg2 0 令hS1 0则 热气体由下向上流动时 逐渐将几何压头转变为静压头 动压头 并消耗部分能量用于克服压头损失 流体流动过程中 各种压头之间可以相互转变 转变规律 4 流动阻力及管路计算 1 摩擦阻力 1 摩擦阻力计算 流体在直管中流动时由于流体的粘性产生内摩擦而产生的能量损失 Pa 2 摩擦阻力系数 层流时 粗略计算时 0 045 0 05 2 局部阻力 流体通过管路中的管件 阀门 突然扩大 突然缩小等局部障碍 引起边界层的分离 产生漩涡而造成的能量损失 1 局部阻力计算 Pa 2 局部阻力系数 3 流动的总阻力 见附录2 4 减少阻力损失的方法和途径 1 气体阻力阻力损失与气体的流速密切相关 2 局部阻力损失要远大于摩擦阻力损失 减少局部阻力损失的方法有 圆 进口和转变要圆滑 平 管道要平 起伏要少 直 管道要直 转变要少 缓 截面 速度 转弯要缓 少 涡流要少 5 阻力损失对窑炉操作的影响 1 阻力损失大 克服阻力所需的静压头大 易造成窑内气体的漏出或吸入窑外空气 2 阻力损失大 排除气体时要求抽力大 烟囱就要建得高3 可利用阻力大小 控制气体的流量 1 2窑炉系统内的气体流动 1 2 1气体从窑炉内的流出和流入1 气体通过小孔的流出和流入 当窑炉内外存在压差时 气体将从窑炉的孔流出和流入 小孔的截面积为F 气流形成的最小截面积为F2 当气流流经小孔后 形成一个最小截面的现象 缩流现象 缩流系数 不同形状孔的 由实验确定 1 2断面的伯努利方程式为 因Z1 Z2 1 2 hg1 hg2 因F1 F2 w1 w2 所以hk1可忽略 又因P2 Pa 所以hs2 0 伯努利方程简化为 即 速度系数与流体流出时的阻力有关由实验确定 通过小孔流出的气体流量 流量系数 由实验确定 通过小孔吸入的气体流量 2 气体通过炉门的吸入和流出A 气体通过炉门的流出 炉内正压 如图 设炉门高为H 宽为B 炉门与小孔区别为炉门内的压强随高度而变化 在炉门中心线上取一微元体dz则微元体面积为 dF Bdz 设炉门中心线距离零压面的高度为z 炉门下边缘距零压面高度为z1 炉门上边缘距零压面高度为z2 运用前面的公式 可得 代入上式 得 取 z为常数 则 应特别注意PZ与Z的关系 B 气体通过炉门的吸入 炉内负压 同理 结论 正压操作时 气体从炉内往外流 负压操作时 气体从外往炉内流 1 2 2分散垂直气流法则 窑炉内分散垂直通道要求温度分布均匀 那么 怎么才能够使温度分布均匀呢 分散垂直气流法则回答了这个问题 分散垂直气流概念 指一股气流在垂直的通道内被分成多股平行的小气流 分散垂直气流法则 在分散垂直气流通道内 热气体应自上而下流动 才能够使气流温度分布均匀 冷气体应自下而上流动 才能够使气流温度分布均匀 分散垂直气流法则适用范围 适用于几何压头起主要作用的通道内 如倒焰窑 若通道内的阻力很大 如立窑 此法则不再适用 法则分析 如图 1 假设一股热气流被分成两股气流 在a b垂直通道内自上而下流动 取有效断面1 1与2 2 两截面之间的二气流的柏努利方程 对于通道a 取1 1为基准面 几何压头 静压头 动压头 阻力损失 将各项代入 则柏努利方程变为 同理对于通道b 要使温度分布均匀 必须满足a b通道内静压差相等 即 该方程为气流自上而下流动时的温度分布均匀条件 2 假设一股冷气流被分成两股气流 在a b垂直通道内自下而上流动 取有效断面1 1与2 2 列二气流的柏努利方程 对于通道a 取1 1为基准面 几何压头 静压头 动压头 阻力损失 将各项代入 则柏努利方程变为 同理 要使温度分布均匀 必须满足a b通道内静压差相等 即 该方程为冷气流自下而上流动时的温度分布均匀条件 结论 保证a b通道温度分布均匀条件 法则的应用 几何压头起主要作用的通道内 1 若使热气体自上而下流动 则几何压头相当于阻力 所以a通道阻力大 使得VaVb 因而a通道内的热气体越来越多 ta就越来越高 从而导致a b温度分布更加不均匀 假定由于某种原因使ta tb 因此 热气流只有自上而下流动 才能保证a b通道温度分布均匀条件 冷气流只有自下而上流动 才能保证a b通道温度分布均匀条件 自行分析 1 2 3气体射流 1 射流的概念2 射流的分类 按流动形态 按射入空间 层流 发生管嘴较小 喷出气体量较小 湍流 发生管嘴较大 喷出气体量较大 自由射流 喷射到充满静止介质的无限空间 受限射流 喷射到有限空间 受到有限空间限制 3 受限射流 无机材料工业窑炉多数的射流受到射入空间的限制 而受限空间 窑炉 燃烧室 内的气体循环情况 直接影响窑内的传热 讨论 影响受限空间气体循环的因素 1 受限空间的大小用射流出口截面与有限空间截面积之比衡量 n很小 即为自由射流 n很大 即为管流 上述两种情况 气体循环均为零 2 射流喷出口的位置 3 射流喷出口与气流出口的相对位置 4 射流的喷出压强及射流与墙面交角的影响喷出压强P 喷出速度w 产生回流区的气体愈多 气体循环强烈 射流与墙面交角大 形成回流小 1 3烟囱1 3 1烟囱的工作原理1 原理 由于热气体受到外界空气的浮力而向上流动产生一定的几何压头 在烟囱底部产生负压 抽力 如抽力能克服窑炉系统的总阻力 就能使烟气从窑内断地流至烟囱底部 通过烟囱而排入大气 烟囱抽力计算 断面1 2的伯努利方程式 Z2 0 Z1 H p2 pa 烟囱抽力等于烟囱的几何压头减去烟囱内气体动压头的增量和烟囱内气体的摩擦阻力损失 2 影响烟囱抽力的因素 1 烟囱的高度 H hc 2 烟气的温度 t hc 3 空气的温度 ta a hc 4 空气的湿度 湿度 a hc 5 海拔高度 海拔 a hc 1 3 2烟囱的热工计算 1 烟囱的直径 1 烟囱顶部直径 自然通风 w0 2 4Bm s机械通风 w0 2 4Bm s 施工要求 砖烟囱和混凝土烟囱d 0 8m顶部厚度 24cm 2 烟囱底部直径 小型铁皮烟囱通常上下直径一般大圆筒形 也有用砖砌成的方形 大型的砖 混凝土烟囱是底部直径大的锥体形 斜率为1 2 底部直径 或 2 烟囱高度的计算 1 烟囱高度确定的方法 据烟囱抽力公式计算 近似计算 或 烟囱底部抽力 窑炉系统总阻力 h a 克服窑炉沿途的摩擦阻力 b 克服各种局部阻力 c 当气体由上向下流动时 要克服几何压头作用 d 满足动压头的增量 2 烟囱高度计算的步骤 估算高度 储备系数K 1 2 1 3 计算烟囱出口温度 温度