热工基础与窑炉分析

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1、热工基础与炉窑分析徐利华第一章窑炉气体力学本章要点：窑炉气体力学用来研究窑炉工作过程中气体的宏观物理与化学行为。本章的研究中心问题是气体流动。只有了解了气体的特性，才能把流体力学的知识准确地应用于窑炉系统的气体力学研究中。第一节气体的主要特征第二节气体力学基本定律第三节气体运动过程中的阻力损失第四节气体的流出第五节可压缩气体的流动第六节流股及流股作用下窑内气体运动第七节烟囱与喷射器第八节流态化原理第一章窑炉气体力学§1气体的主要特征一、理想气体状态方程对于理想气体，温度－压强－体积之间的关系可以用理想气体状态方程式表示：pV=nRT由于n=m/

2、M，公式又可写成:pV=(m/M)RT＊恒温条件下，T=常数pυ=常数，p/ρ=常数p1/p2=υ2/υ1=ρ1/ρ2＊恒压条件下，p=常数υ/T=常数，ρT=常数，υt/υ0=Tt/T0，Vt/V0=Tt/T0，ρt/ρo=To/Tt解：Vt=V0Tt/T0=1000×523/273=1916m3ρt=ρ0T0/Tt=1.293×273/523=0.67kg/m3由此可知，空气经过加热后体积明显增加，密度明显下降，因此在窑炉的热工计算中，不能忽略气体体积和气体密度随温度的变化。例1将1000m3，0℃空气送入加热器中加热，标况下空气密度为1.

3、293kg/m3，求加热至250℃时气体的体积和密度。二、气体粘度与温度之间的关系粘性流体所产生的内摩擦力由牛顿粘性定律确定τ=μdu/dyN/m2式中du/dy：速度梯度，1/s；τ：剪切力，N/m2；μ：粘度，也称动力粘度系数，N·s/m2即Pa·s。在流体力学计算中，也经常用υ=μ/ρm2/s，υ为运动粘度系数。气体粘度与温度之间的关系表示为：μt=μ0[(273+C)/(T+C)](T/273)3/2Pa·s式中μt：在t℃时气体的粘度，Pa·s；μ0：在0℃时气体的粘度，Pa·s；T：气体的温度，K；C：与气体性质有关的常数。几种气体

4、的μ0和C值见表1.1。表1.1各种气体的μ0和C值气体μ0×107（Pa·s）C(K)C值适用的温度范围(℃)空气N2O2CO2COH2CH4C2H4NH3SO2H2O发生炉煤气燃烧产物1.711.661.871.371.660.841.200.960.961.170.82~1.45~1.47114118138239.711871.7198225.9377416673~150~1700~30050~10017~186－21~30215~100－21~30217~100－21~30215~18418~100－－－三、气体所受的浮力在已往的液体计

5、算中，极少考虑大气的浮力，而在窑炉中所存在的热气体进行计算时，务必要考虑。例如：对于1m3密度为0.5kg/m3的热气体自重仅为4.9N，浮力则为11.76N，故不能忽略。§2气体力学基本定律一、静力学基本方程式重力场作用下的静止流体，将欧拉平衡微分方程式在密度不变的情况下进行积分求解，得到静力学基本方程式：p+ρgz=常数对处于平衡状态流体内的1、2点，p1+ρgz1=p2+ρgz2为应用方便，上式可写成：p1=p2+ρg（z2－z1）=p2－ρgH例2：如图所示的窑炉，内部充满热烟气，温度为1000℃，烟气标态密度ρf,0为1.30kg/m

6、3，窑外空气温度20℃，空气标态密度ρa,0为1.293kg/m3，窑底内外压强相等，均为1atm(101325Pa)。求距离窑底0.7m处窑内、外气体压强各多大？其相对压强多大？解：根据公式ρt/ρo=To/Tt，则烟气、空气分别在1000℃、20℃时的密度：ρa=1.293×273/293=1.21kg/m3ρf=1.30×273/(273+1000)=0.28kg/m3根据基本方程式求出气体压强：pa1=pa2-ρagH=101325-1.21×9.81×0.7=101317Papf1=pf2-ρfgH=101325-0.28×9.81×

7、0.7=101323Pa距窑底0.7m处相对压强pf1-pa1=101323-101317=6Pa。例2二、连续性方程式连续性方程式表示为：当流体在管道内作稳定流动时，通过管道任一截面的质量流量都相等。故I－I，II－II，III－III断面处：图1.2流体在管道中的流动f1u1ρ1=f2u2ρ2=f3u3ρ3=常数对于不可压缩气体，ρ不变，故f1u1=f2u2=f3u3=qv=常数式中：qv：气体的体积流量，m3/s。上式还可写成：u1/u2=f2/f1即气体流速与截面面积成反比。三、柏努利方程式对于不可压缩的理想流体，ρ=常数，带入dp+ρ

8、gdz+ρd(u2/2)=0积分得：p+ρgz+ρu2/2=常数对于同一流线上1、2两点，柏努利方程式可表示为：p1+ρgz1+ρu12/2=p2+ρ