重庆科技学院教案用纸 第5章气体力学计算 冶金炉内气体流动的显著特征 第一:炉内气体为热气体(即炉内气体的温度高于周围大气的温度) 第二:炉内热气体总是与大气相通的,而且炉内热气体的密度小于周围大气的密度, 所以炉内气体的流动状况受大气的影响。 ξ5.1热气体相对于大气的特殊规律 、热气体的压头 单位体积流体的能为: 位能:pgz 静压能:P 动能:P2 对于炉内热气体在流动过程中,虽然同样具有这三种能量,但由于周围大气对其流动的 影响,这三种能量只能用相对值来表示,即 单位(体积)热气体所具有的位能与外界同一平面上单位(体积)大气所具有的位能之 差称为位压头。同理也有动压头和静压头之称呼。但是在通常情况下,大气的流速比流体的 流速小得多,所以热气体的动压头也就是热气体本身所具有的动能。 1.热气体的位压头—几何压头 (1)阿基米德浮力原 (2)有效重力 设流体的密度为p2体积V,大气的密度为P。,则流体在大气中所受到的浮力为 pag 流体本身的重力为pgV 有效重力为pggV-p2gV=(Dg-pa)gV 单位体积流体的有效重力为(g-Pa)g 当p2>P时有效重力为正,方向竖直向下流体在大气中下沉;反之则流体在大气中上 浮由于热气体温度高于大气温度所以,P<P故热气体有效重力为负方向向上热气体 在大气中有自动上浮的趋势。 (3)热气体的位压头及其分布规律 如图5-1-2所示
重 庆 科 技 学 院 教 案 用 纸 第 5 章 气体力学计算 冶金炉内气体流动的显著特征： 第一：炉内气体为热气体（即炉内气体的温度高于周围大气的温度）； 第二：炉内热气体总是与大气相通的，而且炉内热气体的密度小于周围大气的密度， 所以炉内气体的流动状况受大气的影响。 5.1 热气体相对于大气的特殊规律 一、热气体的压头 单位体积流体的能为： 位能：ρgz 静压能：P 动能： 2 2 W 对于炉内热气体在流动过程中，虽然同样具有这三种能量，但由于周围大气对其流动的 影响，这三种能量只能用相对值来表示，即 单位（体积）热气体所具有的位能与外界同一平面上单位（体积）大气所具有的位能之 差称为位压头。同理也有动压头和静压头之称呼。但是在通常情况下，大气的流速比流体的 流速小得多，所以热气体的动压头也就是热气体本身所具有的动能。 1.热气体的位压头——几何压头 (1)阿基米德浮力原理 (2)有效重力 设流体的密度为 g ,体积 V，大气的密度为 a ，则流体在大气中所受到的浮力为 agV 流体本身的重力为 g gV 有效重力为 g gV - a gV = ( g - a )gV 单位体积流体的有效重力为 ( g - a )g 当 g a 时有效重力为正,方向竖直向下,流体在大气中下沉;反之则流体在大气中上 浮,由于热气体温度高于大气温度,所以, g a 故热气体有效重力为负,方向向上,热气体 在大气中有自动上浮的趋势。 (3)热气体的位压头及其分布规律 如图 5-1-2 所示
重庆科技学院教案用纸 P 图5-1-2位压头示意图 取0_0为基准面,则热气体的位压头为 hg=P,gH-Pagh=(p,-Pa)gh 当基准面取在上方,高度向下量度时为正,故 g=-H(pg-p)g=HPa-p2)(此时H为正值) 分布规律:线性,上小下大 注意:由于热气体有自动上升趋势,所以热气体由下向上流动时,位压头是流动的动力。 反之,热气体自上向下流动时,位压头应作阻力来对待。 2.热气体静压头及其分布规律 (1)定义:热气体的静压头与同一水平面大气静压头压力之差,即相对压力,常称做表压力, 用hs表示 (2)分布规律 A静止液体表压力分布规律:上小下大 B热气体表压力分布规律:上大下小 注意 当在某一平面上,热气体的表压力为零时,称此面为零压面。在零压面以上,热气体表 压力为正,若有缝隙,则热气体将外逸。反之,在零压面以下,热气体表压力为负,冷空气 将会被吸入。冶金炉的操作过程中常将零压面控制在炉底上,使炉膛呈正压区,而烟道则为 负压区。 3.热气体的动压头 由定义知,热气体的动压头h=2w2.Pw2s2w2 2 、热气体平衡方程式 hgl+hsi=hg2+h 三、热气体管流伯努利方程式(双流伯努利方程式 1表达式:实际流体管流伯努利方程式为 , eg +e+P=z, eg+e+P2+h 热气体管流伯努利方程式为
重 庆 科 技 学 院 教 案 用 纸 取 0—0`为基准面，则热气体的位压头为 - hg = g gH - agH = ( g - a )gH 当基准面取在上方，高度向下量度时为正，故 hg = -H( g - a )g = H( a - g )g （此时 H 为正值） 分布规律：线性，上小下大 注意：由于热气体有自动上升趋势，所以热气体由下向上流动时，位压头是流动的动力。 反之，热气体自上向下流动时，位压头应作阻力来对待。 2.热气体静压头及其分布规律 (1)定义：热气体的静压头与同一水平面大气静压头压力之差，即相对压力，常称做表压力， 用 hs 表示。 (2)分布规律 A .静止液体表压力分布规律：上小下大 B.热气体表压力分布规律：上大下小 注意： 当在某一平面上，热气体的表压力为零时，称此面为零压面。在零压面以上，热气体表 压力为正，若有缝隙，则热气体将外逸。反之，在零压面以下，热气体表压力为负，冷空气 将会被吸入。冶金炉的操作过程中常将零压面控制在炉底上，使炉膛呈正压区，而烟道则为 负压区。 3.热气体的动压头 由定义知，热气体的动压头 2 2 a 2 a d W 2 W 2 W - 2 h g g = 二、热气体平衡方程式 hg1 hs1 hg2 hs2 + = + 三、热气体管流伯努利方程式（双流伯努利方程式） 1.表达式：实际流体管流伯努利方程式为 2 2 2 2 1 2 2 1 1 e P h 2 e z eg 2 z eg + + = + + + W P W 热气体管流伯努利方程式为
重庆科技学院教案用纸 H, (Pa-Px)g+p,w2 Px=H,(p-Ps)+PN p,t a hal+hs+ha=h 2+h 2+hd2+h 四、热气体管流时的阻力损失计算 表达式h1=kw2=keW(+) 计算特点说明: 摩擦阻力损失hf计算 h=k -2L2(1+n)M ε的选择按圆管内流磨阻力计算式计算,工程上一般按经验式 L为计算段长度,D为当量直径,Wo取经济流速,t取时间段的平均值。 2局部阻力损失的计算hr 局部阻力系数仍按附表6查出,wo仍取经济流速,温度则取对应与w的温度 3.热气体自上而下流动时,位压头作为阻力损失考虑,反之,热气体自下而上流动时,位压 头应从阻力损失中减去。 4两截面上的压头损失等于两截面上表压力之差 ξ52排烟系统及烟囱 排烟系统及烟囱的重要性 烟囱 1烟囱的工作原理 烟囱能将烟气从炉尾经烟道烟囱排入大气,是因烟囱底部具有抽力,亦称吸力。烟囱产 生抽力的原因是热气体相对于大气的特殊规律造成的。 如图5-2-1,在烟囱内等温情况下 图5-2-1烟囱基本原理示意图 P2=P+Hp.g 差值△P=P4-P2=H(P2-P2)g>0,所以气体能自动地由炉膛入口并排入大气, 称自动通风。实际上△P即为烟囱底部截面对烟囱顶部截面所产生的位压头,所以,烟囱底 部的位压头是烟囱排烟的动力 如图5-22,以3-3为基准面,在气体静止状态下列出2-2与3-3截面的伯氏方程得公式
重 庆 科 技 学 院 教 案 用 纸 L 2 2 2 a g M2 2 1 1 M1 h 2 H ( - ) P 2 H ( a - g )g + P + g = + + g + W W 即 hg1 hs1 hd1 hg2 hs2 hd2 h L + + = + + + 四、热气体管流时的阻力损失计算 表达式 2 2 2 0 0 L (1 ) 2 e W W k 2 e h k m = = + t N 计算特点说明： 1.摩擦阻力损失 hf 计算 2 2 0 0 2 2 f (1 ) 2 2 2 eW h k m W t N e D eW L D L = = = + 的选择按圆管内流磨阻力计算式计算，工程上一般按经验式。 L 为计算段长度，D 为当量直径，Wo 取经济流速，t 取时间段的平均值。 2.局部阻力损失的计算 hr 局部阻力系数仍按附表 6 查出， wo 仍取经济流速，温度则取对应与 w 的温度。 3.热气体自上而下流动时，位压头作为阻力损失考虑，反之，热气体自下而上流动时，位压 头应从阻力损失中减去。 4.两截面上的压头损失等于两截面上表压力之差。 5.2 排烟系统及烟囱 排烟系统及烟囱的重要性 一、烟囱 1.烟囱的工作原理 烟囱能将烟气从炉尾经烟道烟囱排入大气，是因烟囱底部具有抽力，亦称吸力。烟囱产 生抽力的原因是热气体相对于大气的特殊规律造成的。 如图 5-2-1，在烟囱内等温情况下 P P H g P P H g 2 3 g 4 3 a = + = + 差值△ P = P4 - P2 = H( a − g )g 0 ，所以气体能自动地由炉膛入口并排入大气， 称自动通风。实际上△P 即为烟囱底部截面对烟囱顶部截面所产生的位压头，所以，烟囱底 部的位压头是烟囱排烟的动力。 如图 5-2-2，以 3-3 为基准面，在气体静止状态下列出 2-2 与 3-3 截面的伯氏方程得公式
重庆科技学院教案用纸 p P2=H(p2-p3)g=H( )g Hpa Hpt g 此式可得出,烟囱底部表压力为负值(称为抽力或吸力)该抽力称理论抽力。它是由 位压头产生的,而且与烟囱的高度H、大气的温度ta,烟囱温度tg等因素有关。 若烟气在烟囱内流动,则其实际抽力为 h实轴=Bn=HP2-p2)g-( Ah,=-PMr=H(P-P)g-Ah-h 2烟囱计算 在冶金炉中不论是设计新烟囱,还是对建成的烟囱进行校核,其原理是相同的,现以新 设计烟囱为例说明其计算方法 由烟囱的工作原理可知 H hy+Ahd+hL (P-P)g 但此式不能直接用来计算烟囱的高度H,因为式中很多参数均与H有关。所以只能用 试算法,其步骤如下: (1)烟囱实际抽力hv的计算 烟道系统内∑h8=∑h+∑h+热气体自上而下流动的位压头+AMd h=(12≈13)∑h (2)烟囱内动压头增量∧ha的计算 ∧h P (1+Bt2) (1+B2) →W2=-,W3据实际情况定,一般取2-4 WrOe 15 (3)烟囱内阻损失h的计算 H D 2 P0(+B 式中Wn W2+W0 12+I D取当量直径平均值D=a+d
重 庆 科 技 学 院 教 案 用 纸 g H t H t g H g g a a g - P H( ) ( ) 0 0 2 a = − = − 由此式可得出，烟囱底部表压力为负值（称为抽力或吸力）该抽力称理论抽力。它是由 位压头产生的，而且与烟囱的高度 H、大气的温度 ta，烟囱温度 tg 等因素有关。 若烟气在烟囱内流动，则其实际抽力为 V M a g d L g h = −P = H − g − h − h = = ( ) ) - h 2 W- 2 W h -P H( - )g -( 2 L 2 2 2 3 M2 a g 即 实轴 2.烟囱计算 在冶金炉中不论是设计新烟囱，还是对建成的烟囱进行校核，其原理是相同的，现以新 设计烟囱为例说明其计算方法。 由烟囱的工作原理可知 ( a g )g h h h H V d L − + + = 但此式不能直接用来计算烟囱的高度 H，因为式中很多参数均与 H 有关。所以只能用 试算法，其步骤如下： (1)烟囱实际抽力 hv 的计算 = = + + + v L L r h h h h hd (1.2 1.3) h 烟道系统内 L总 热气体自上而下流动的位压头 (2)烟囱内动压头增量 hd 的计算 1.5 W , 2 4 4 4 (1 ) 2 (1 ) 2 2 2 3 2 2 0 3 2 0 0 2 0 3 0 3 2 2 0 0 2 3 2 0 0 3 2 2 2 3 = = = − = − = + − + d d s m d V W W V d t e W t t W W W hd g g 据实际情况定 一般取 (3)烟囱内阻损失 hl 的计算 2 2 2 (1 ) 2 h 3 2 2 3 02 03 0 0 2 0 L d d D D t t t W W W t W D H g + = + = + = = + 取当量直径平均值 式中
重庆科技学院教案用纸 (4)空气及烟气密度计算 P Pa1+Bl + Bt 3烟囱设计计算中的注意事项 (1)当几个炉子共用一个烟肉时,在计算hv时,应选用∑h比较大的那炉子的数值。 (2)计算烟囱出口及底部直径所用的烟气流量vo,应用两个炉子烟气流量之和 (3)考虑到环境保护问题,烟囱的高大至少应高出周围建筑物3米。 4)布置烟道时,应尽量减少阻力损失 ξ53供气系统极其有关计算 、供气管道 1.管道布置基本原则 (1)供气管道一般架空敷设,管道底部距地面的距离不得小于2米 2)管道系统中装有换热器时,应设旁道管道,金属换热器后的热风总管上一般要求安 装放风阀。煤气管道上应安装放散管及放散阀。煤气总管上除安装调节阀外,还应安装低压 快速切断阀。 (3)按有关规程进行气密性试验(试压) (4)管道布置应尽量减少阻力损失。 2.管道计算 (1)管径计算 (2)管道的阻力损失计算 二、常用风机简介 按产生压力的大小,风机分为 通风机 压力在0.1atm以下 鼓风机 压力在0.1~3atm以内 压缩机 压力超过3atm 高压压缩机压力超过100atm 1离心式通风机 (1)类型 低压通风机压力小于98Pa(100mmH2O) 中压通风机压力为981~2943Pa(100~300mmH2O) 高压通风机压力大于2943Pa(300mmH2O (2)结构 2离心式鼓风机 离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似,只是空气的压缩过程通常是经过几个工 作叶轮(或称几级)在离心力的作用下进行的 3回转式风机 三、离心式通风机特性及选择计算 1通风机在管道上工作时的总压头 单位体积气体通过风机时所获得的机械能,称为通风机产生的总压头。其作用是
重 庆 科 技 学 院 教 案 用 纸 (4)空气及烟气密度计算 g g g a a t t + = + = 1 1 0 0 a 3.烟囱设计计算中的注意事项 (1)当几个炉子共用一个烟囱时，在计算 hv 时，应选用 h L 比较大的那炉子的数值。 (2)计算烟囱出口及底部直径所用的烟气流量 vo，应用两个炉子烟气流量之和。 (3)考虑到环境保护问题，烟囱的高大至少应高出周围建筑物 3 米。 (4)布置烟道时，应尽量减少阻力损失。 5.3 供气系统极其有关计算 一、供气管道 1.管道布置基本原则 (1)供气管道一般架空敷设，管道底部距地面的距离不得小于 2 米。 (2)管道系统中装有换热器时，应设旁道管道，金属换热器后的热风总管上一般要求安 装放风阀。煤气管道上应安装放散管及放散阀。煤气总管上除安装调节阀外，还应安装低压 快速切断阀。 (3)按有关规程进行气密性试验（试压）。 (4)管道布置应尽量减少阻力损失。 2.管道计算 (1)管径计算 (2)管道的阻力损失计算 二、常用风机简介 按产生压力的大小，风机分为 通风机 压力在 0.1 atm 以下 鼓风机 压力在 0.1~3atm 以内 压缩机 压力超过 3atm 高压压缩机 压力超过 100atm 1.离心式通风机 (1)类型 低压通风机 压力小于 981Pa(100mmH2O) 中压通风机 压力为 981~2943 Pa(100~300mm H2O) 高压通风机 压力大于 2943Pa(300mm H2O) (2)结构 2.离心式鼓风机 离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似，只是空气的压缩过程通常是经过几个工 作叶轮（或称几级）在离心力的作用下进行的 3.回转式风机 三、离心式通风机特性及选择计算 1.通风机在管道上工作时的总压头 单位体积气体通过风机时所获得的机械能，称为通风机产生的总压头。其作用是：