第二章 热处理炉内气体运动

第二章热处理炉内气体运动热处理炉内气体的运动影响：炉温的均匀性炉内气氛的均匀性炉内热交换炉子的安全操作本章的主要内容：静止气体的能量、炉内气体与炉外气体的相互作用、气体运动的动力和阻力以及伯努利方程，并运用这些规律分析热处理炉内气体压力分布及其运动规律。本章的思路：研究气体在运动中能量的转化，借以分析、计算和引导炉内气体运动状态。第一章§2－1气体静力学及应用一、静止气体的能量

1、基本定义a)气体压力(P)：气体作用于容器单位面积上的力(Pa或N/m2)；b)相对压力(△P)：同一水平面上容器内的P与大气压(Pα)之差；测量方法：U形管法，△P＝P－Pα＝ρgh

引申定义：相对零压(P＝Pα)

相对正压(P＞Pα)

相对负压(P＜Pα)

真空度：相对负压值？第一章c)气体静压能(ES):ES

＝P

定义的由来：dW＝PAd

l＝PdVES

＝dW/dV＝P

定义的理解：从力的角度：P为气体静压力；从能量角度：P为气体静压能；因此：气体压力是气体分子储存能量的一种表现形式。第一章d)气体位能(Ep)：Ep＝ρgz

定义的由来：由一般物体位能定义引申而来；对于体积dV的静止气体，距基准面距离z时的位能为：ρdVgz

则单位体积气体的位能为：

Ep＝ρdVgz/dV＝ρgz第一章2、静止气体的平衡方程式及压力分布

问题：

容器中静止气体的压力分布有何规律？

考虑思路：

将静止气体任意位置微元视为一整体；分析其力学状态，根据静止条件求解其平衡方程；由平衡方程了解静止气体压力分布规律。第一章a)气体处于静止状态，受力必须平衡。即：各力在x、y、z轴上的投影和为零。b)对于z轴方向有：消去并积分有：该式表征了在重力场中不可压缩流体的压力分布规律。

第一章c)分析在为常数的静止气体中，压力沿高度方向成线性分布，斜率为。静止气体中任一高度处的静压能与位能之和为常数。

第一章d)结论

静止气体的绝对压力随高度的增大而减小，

且呈线性分布，其斜率为。该结论可近似地运用于一般炉内气体的压力分布分析。第一章二、静止炉气对炉外空气的相对能量—（压头的概念）

1、基本定义a)压头：单位体积炉气与同水平面上炉外单位体积空气能量差。b)静压头：单位体积炉气的静压能Pg与同水平面单位体积炉外空气的静压能Pa之差，以hs表示。hs=Pg－Pac)位压头：单位体积炉气的位能与同水平面上单位体积炉外空气的位能差，以hp表示。hp

第一章2、静止炉气压头分布规律问题：静止炉气的压头如何分布？考虑思路：压头概念是与炉外气体密切相关的量，考虑压头分布时联系炉外气体量综合考虑；先分析清静压头和位压头的分布，再考虑总压头的规律。第一章a)静压头的分布根据静止气体压力分布规律，Pg与Pa的分布呈两条不同斜率的直线，斜率分别为－1/ρgg和－1/ρag，一般ρg<ρa，所以Pg分布直线较Pa陡，两直线交于Q点，此处炉气静压头为零。有：

Pg＝Pa＝P0

或：

Pg－Pa＝0第一章静压头分布规律：

hs=Pg－Pa＝（ρa－

ρg）gH零压面以上，炉气的静压头为正，越往上其正值越大，因此，从炉壁开口会向外溢气；零压面以下，炉气的静压头为负，越往下其负值越大，因此，从炉壁开口会吸入冷空气。第一章b)位压头的分布

位压头的物理意义：单位面积上的热炉气所受到的炉外同一水平面上冷空气的浮力大小的量度。注意：浮力是力，压头是能量。计算式习惯上写为：

hp＝分析炉气浮动能力

对流第一章c)静止炉气静压头与位压头关系（总压头）由：两式相减：即：结论：不同高度上的静压头和位压头之和为定值；静压头大处，位压头必小，反之亦然；压头守恒。第一章3、关于压头的几个问题

a）压头的产生原因 与都归因于炉气与外部空气的密度差（或温度差）。

b）为什么静压头用于分析炉膛的溢气与吸气？ 位压头用于分析炉气的浮动能力？首先，炉膛既不是完全密闭又不是完全敞开，炉内 与炉外存在联系，才促进产生了压头的概念。其次，炉气在水平平面上存在与炉外气体交换；在 垂直水平面上存在上下浮动两种行为方式，而 压头是这两种行为方式的原因。

第一章c）与计算式中H和z的理解

H是考察面到零压面的距离，z是考察面到基准面的距离，两者在概念上完全不同； 零压面不能随便定，是实际炉膛状况决定的； 基准面是可以自由设定的，只是在一次考察多个面时，基准面要一致才能进行比较，一旦确定了基准面就能确定考察面的气体是向基准面还是背离基准面的运动趋势； 基准面的运动趋势无法确定（由于Z=0），所以一般为了考察炉膛内各处气体的运动，将基准面确定在炉膛的高度方向上的极限位置（多数是炉顶）。第一章三、炉气静力学在热处理炉上的应用

利用炉气静压头和位压头的概念，可对热处理炉中的许多问题作定性的分析和解释：

(一)炉膛溢气和吸气热处理炉炉膛的溢气和吸气对炉子工作都是不利的。炉气外溢会散失大量热量，同时损坏炉门构件并妨碍操作。炉膛吸入冷空气则不仅使炉温降低，炉温不均匀，增加能源消耗而且会加剧工件的氧化和脱碳。控制炉膛的溢气和吸气的主要途径之一是适当控制炉气的零压面。

热处理炉炉膛的相对零压面大体上有如下几种情况·(1)对于一般箱式电阻炉，如果炉膛封闭严密，炉气只在炉底处与大气相通，则炉气的零压面处在炉底，整个炉膛内的炉气静压头为正值（a)。在这种情况下，如炉壁上有空隙，炉气必然会由此空隙溢出。

(2)对于气密性很好的炉膛，在刚打开炉门时，因炉气静压头为正，将溢气而导致炉内压力降．相当于Pg直线左移，从而使零压面上升(b)，炉口下部静压头就变为负值而吸入冷空气。这样，零压面逐渐上升，直至开启的炉门下沿为止。但在连续加热的情况，相对零压面将会稳定在一定位置上，使上部溢气与下部吸气相平衡。

在炉门关闭时，若炉门与炉门框压合不紧，零压面亦会上升，同样出现上口滥气，下口吸气的现象，其情况与打开炉门时相似(见图c)。

(3)当炉膛内通入可控气氛并采用水封增压和保持炉膛严格密封时，炉气压力将显著增加，这相当于Pg直线右移，从而使零压面下降，炉底处炉气静压头亦为正值(见图d)。在这种情况下，炉膛内的静压主要决定于外加的压力(水封的水柱高度)，炉膛各处的静压可认为接近相等。

(4)在真空炉内，炉气压力很低，整个炉膛都处于相对负压状态，静压头均为负值。

(二)烟囱的抽气作用

图1-10为炉膛和烟囱系统示意图。要使炉气能从燃烧室顺利流过炉膛、烟道，最后从烟囱上口排出，就必须使烟囱底部炉气的静压力低于燃烧室和炉膛内炉气的静压力。烟囱的作用就在于此。现利用静止气体的基本方程来分析烟囱的抽气作用。（二）烟囱的抽气原理第一章Ⅱ面上：

两式相减，有：

Ⅱ面上的位压头 且>0§2－2气体动力学及伯努力方程一、气体流动的性质

1、气体流量和速度a)气体流量（q）：单位时间内通过给定面积 的气体量；体积流量：

质量流量：第一章

b)流量、速度和管道截面积的关系★基本关系：★考虑温度影响：某温度t下的气体体积Vt

与标准状态的体积

V0有：则：第一章c)有效性

气体流动时，通常分为高速和低速两类；高速气流压力梯度很大，气体密度变化较大；低速气流压力梯度很小，气体密度变化不大；炉气在炉膛和烟道内流动属低速气流，可运 用不可压缩气体推导出来的公式。气体高速流动时，气流压力梯度很大，气体 密度变化也较大，不能运用由不可压缩 气体推导出来的公式。第一章

2、气体的流动形态层流：流体质点都作有规律的平行运动，流层间不相混合，质点没有径向运动；紊流：流体质点不仅沿前进方向运动，而且还向各个方向作不规则运动，不停地互相混合。第一章 管道中的紊流 流体在管道中作紊流流动时，并非在整个截面上都是紊流，在紧贴管壁处存在一极薄（几分之一毫米）的层流，称为层流底层；流体在管内稳定紊流时，管道截面上的速度在靠近截面处变化最大，而在离流动壁面稍远处的紊流核心流速呈对数分布，速度变化很小。紊流越剧烈，速度越接近一致。第一章紊流形成条件 四个物理量组成的无量纲数：雷诺数

:管道当量直径，；

:管道截面积，:管道周长；ν:速度,μ:粘度,ρ:密度.

决定了紊流发生与否，当<2320时，流体呈层流流动，当>2320时，层流失稳，逐渐成为紊流。

3、气体的粘性a)概念：气体流动时，内部各层之间产生内摩擦 力（或切应力）的性质为气体的粘性。 粘性的大小为粘度。b)动力粘度系数：动力粘度系数（简称粘度）单位：

第一章c）温度的影响

:T温度时动力粘度系数；

:273（K）时动力粘度系数;气体粘度随温度升高而增大。 与压力关系不大。不考虑气体粘性的气体称为理想气体，有时为简化问题的分析过程，常忽略气体的粘性。

4、气体的动能与动压头单位体积气体的动能:气体的动压头：指管道内流动的单位体积气体相对于炉外空气所具有的动能，亦即管内外两种气体的动能差。二、炉气在运动中的能量损失 存在两种主要能量损失形式： 摩擦能量损失： 局部能量损失： 一般表达式：第一章1、摩擦能量损失 气体在管道内流动时因气体与管道壁和气体分子间的摩擦力而产生的能量损失。

L：管道长度

d：管道当量直径

：摩擦阻力系数0.05（砖砌管道）0.045（生锈金属管道）0.03（光滑金属管道）

2．局部能量损失

由局部阻力引起的能量损失．即由于管道突然转向或截面变化而引起局部气流运动方向或速度改变，使气流内