窑炉系统内的气体流动

1、1-2 窑炉系统内的气体流动,窑炉系统内的气体流动主要有三种类型： （1）不可压缩气体的流动， = const （2）可压缩气体的流动， const （3）射流（流股）,1 不可压缩气体的流动,在高温窑炉中，由于气体的组成、温度 和压力的变化，气体的密度是渐变的。但若 截取某一有限单元体，如水平炉膛、垂直通 道、局部孔口等作为研究对象，则可视为恒 密度（不可压缩）气体的流动。 即当温度波动大时，取等温段分段考虑。,1.1 气体通过炉墙小孔的溢出和吸入,如图,列1-1至2-2截面伯氏方程：,(3) p2 = pa,是水平流动（Z1=Z2），且气体 通过小孔时压差很小（1=2）,(2) F2 F1

2、 w1 w2，w1 0, hk1 0, hge1 = hge2, hs2 = 0,分析,因此上面伯式可改写成：,hs1 = hk2 + hL, 1-2 =(1+) hk2,溢气量：,流量系数： = ,其中：,缩流系数： =F2/F,速度系数：,同理，当hs10时，1-1截面为负压，计算时 取绝对值，书写时以“吸入”区别于“溢出”， （即此时是对冷空气列伯氏方程）：,吸气量：,（P13页表1-3）,推论：设零压面在下面，约定上游在窑内， 下游在窑外，进一步讨论距零压面以上高度 Z 处炉墙小孔的溢气情况：,则：由上下垂直方向的静力学方程（设基准面 在Z高度处)：,hge(零压面)= hs(Z高度处

3、)hk2,此推论可解决炉门问题!,即： Z(a- )g = pZ -pa =,1.2 气体通过炉门的溢出和吸入,炉门宽 B，高 H，微元面积：dF= BdZ,通过微元面的溢气量:,整个炉门的溢气量：,将上式中的流量系数看作常数（整个炉门的平 均流量系数 ），则炉门溢气量：,（精确计算）,用牛顿二项式展开后得：,结论：炉门越宽、越高，漏气量越大。,吸入问题以此类推。,1.3 分散垂直气流法则,如图：并联通道，设为等径(等截面)，热气体, 等截面，hk1 = hk2 - hs= h ge + h L.1-2,又 A、B两通道是并联的 A、B两通道静压差相等 即: - h sA = - hsB,列1

4、-1至2-2截面的伯氏方程为：,即：A、B两通道流量（温度）分布相等的 必要条件是二者的总阻力相等。,当h ge h L.1-2时，温度是否分布均匀决定于：,则：AB,假设扰动，使tA tB,QVA QVB,相反，若气体自下而上流动(此时几何压头 是推动力)，则当发生扰动使tA tB 时：,AB,QVA QVB,结论:,（1）烟气(热气体)加热制品时，热气体从 上向下走叫“倒焰”(此时几何压头为阻力)， 水平温差小；,（2）空气冷却制品时，冷气体从下向上升 叫“升焰”(此时几何压头为推动力)，水平温 差小。,分散垂直气流法则的使用条件(适用条件)： 应用于几何压头起主要作用的通道， 如传统的倒

5、焰窑、蓄热室等。,分散垂直气流法则不适用于： （1）阻力很大的窑； （2）流动速度很大或者说压差大的窑。,作业：64页1-5,2 可压缩气体的流动,即：p/p0 20%，或者p 20kPa时,2.1 音速和马赫数,音速（a）：声波在气体中的传播速度， 或者说是声波在弹性介质中的传播速度。,声波是因机械振动引起的机械弹性波， 是纵波（压缩、放松交替进行）。,其中： 音速，m/s E 介质的弹性模数，w/m2 介质的密度，kg/m3,因声波在气体中的传播速度很大，引起的温度 变化很微弱，可以认为是绝热可逆（等熵）过 程。由理想气体的多变方程，得声波在静止流 体及静止理想气体中的传播速度为：,若介质

6、为空气， =1.4，R=287（J/kgK）,则空气中的音速为：,可见，音速是气体（介质）温度的函数， 是一个状态函数；音速的大小反映了气体的可 压缩程度；音速的方向与飞行物飞行方向相反。,其中：Ma,1，w ，为亚音速流动,马赫数：气体实际流速(w)与当地音速(a)之比,1，w 0，为不可压缩气体流动,1，w ，为跨音速流动,1，w ，为超音速流动,2.2 可压缩气体通过渐缩喷嘴喷出,罐内(0-0面)：ws0 ，滞止状态（static） 滞止参数：ps、Ts、s ws(0),如图,2-2截面（出口处）：w达到最大。,流动过程中：p、w、T,即气体在流动过程中，不仅hs （p） ，而 且内能（

7、T）；,2.2.1 压强变化规律,流动过程中：psp1p2=pa,可看成是绝热可逆（等熵）过程，其状 态方程（理想气体多变方程）：,或：,其中： 为绝热指数， = Cp/CV 单原子气体： =1.6 双原子气体： =1.4 多原子气体： =1.3,任一截面处压强（p）与 之比，恒 等于滞止状态下ps/s之比。,即：,2.2.2 密度变化规律,由上得：,其中：p1/ps1，1/ 1，所以1/s 1， 即 1 s,2.2.3 温度变化规律,绝热过程 p 相当于膨胀，内能，所以T ,其中：p1/ps 1，(-1) / 1 所以：T1/Ts 1，即T1 Ts,另，由理想气体状态方程得：,2.2.4 流

8、速与流量变化规律,根据能量守恒原理，系统内单位质量气体的 能量：,J/kg,对于可压缩气体，T、w变化很大，位能与 其它各项能量相比很小，故可略去，得下式：,-(1), U=CVT， ， R=CPCV ，,代入(1)式得：,-(2),又单位质量气体的热焓：,代入(2)得：,-(3),以上是可压缩气体能量守恒的三种表达方式。,(3),(2),(1),内能形式,压强形式,热焓形式,由(2)式得：,代入上式得：,其中：,ws0，,同理，由,得流速的三种解法：,质量流量为（ ）：,实际气体流动时，有能量损失，是非等熵过程， 所以：,w2= w2,Qm=Qm,、 与实际流动状态有关 Re106时，0.9

9、60.99 = 0.99,2.2.5 极限流速及临界速度,极限流速（p2 0，即向真空喷出）：,此时，Qm=0 (真空状态下气体的密度趋于零),实际上因绝对真空是不可能达到的，所以气 体的喷出速度也不可能达到极限速度。,环境压强从pa=ps开始可连续调低，出口断面 压强为p2（p2又称背压或反压）。实验发现：,开始时， p2随pa的而 ，并保持p2pa;当pa降 至某一值后， p2不再随pa的降低而变低，而是 保持一定值不变（并高于环境压强，即p2pa ）,临界状态是流量最大状态 此时：w2 = w2,cr= a （等于当地音速） cr = p2,cr/ps （临界压强比）,拥塞效应流量达到一

10、 定值后，流速不再随压强 比的减小而继续增大的现 象。,由流量方程对压强比（）求导并令其等于零,同理可推得：,即令：,得：,（2）温度比,（3）音速比,（4）临界流速,（5）最大流量,（1）密度比,2.3 可压缩气体由渐缩至渐扩喷嘴的流动,拉伐尔（Larals）喷嘴（nozzle）： 2-2断面(喉部)：Ma=1 2-2断面以前(收缩段)： Ma1,气体参数与流速的关系（由能量方程 和理想气体状态方程导出）,(2) 流速与截面积的关系(由连续性方程导出),(c) 超音速流动时：Ma1， (Ma2-1)0 dF dw 正消长关系,(a) 亚音速流动时：Ma1，(Ma2-1)0 dF dw 负消长

11、关系,(b) 跨音速流动时：Ma1，dF 、dw不变,3 气体射流,射流气流经管嘴喷射到空间中去时，由于 气流脱离了原来限制它流动的管道的限制而在 空间继续扩散流动，这种气体的流动叫射流。,射流分类： (1) 按流动状态分类：层流、湍流射流； (2) 按喷入空间大小分类：自由射流、受 限射流。,硅酸盐窑炉中大都是湍流状态下的受限射流。,3.1 自由射流,(1) 等温自由射流,无限大空间、静止介质、介质的t、与喷 出气流的相同。,气流由喷嘴喷出后，不受固体边界的约束， 在足够大的空间内自由扩张称为自由射流。,(2) 非等温、非等浓度自由射流,当周围气体的t、与喷射气体不同时，介 质与喷射气体间有热量和质量交换。由于传热 和传质速度的差异不十分大，可认为近似相等， 所以其特点（规律）近似等温等密度自由射流。,当热气体水平射至冷气体时：a，射流 轴线向上弯曲(浮力作用),当冷气体水平射至热气体时：a，射流 轴线向下弯曲(重力作用),射流弯曲现象,上升的距离： 向上加速度：,3.2 受限射流,指介于自由射流与管流之间的气体流动， 即既受限又不能充满整个空间。,受限射流影响因素：,(1) 喷入空间（受限空间）的大小