硅酸鹽工業(yè)熱工基礎(chǔ)第一章.ppt

1、熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,1.2 窯爐系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動(dòng),不可壓縮氣體的流動(dòng),可壓縮氣體的流動(dòng),氣體射流,熟練掌握,了解,了解及 自學(xué),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,一、不可壓縮氣體的流動(dòng) （一）氣體從窯爐內(nèi)的流出和吸入,1、氣體通過(guò)小孔的流出和吸入,靜壓頭轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)壓頭， 使壓強(qiáng)降低、速度增加,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,流出氣體在慣性作用下，氣流會(huì)發(fā)生收縮，在截面處形成最小的截面F2，這種現(xiàn)象稱為縮流。,縮流系數(shù)：,（氣流最小截面與小孔截面的比值）, ,小孔的位置,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,截面（窯內(nèi)）：,截面（氣流最小截面）：,氣流通過(guò)小孔的壓差極小：,Question： 如何衡量流出氣體的快慢、多少 ？

2、,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,列-間伯努利方程，計(jì)算：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,*縮流系數(shù) 、速度系數(shù) 、流量系數(shù) 均應(yīng)由實(shí) 驗(yàn)確定。也可查表（P13）。,*薄壁和厚壁的概念：,氣流最小截面在孔口外薄壁,氣流最小截面在孔口內(nèi)厚壁,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,Question：小孔為其它形狀 ？,形狀,大小,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,2、氣體通過(guò)爐門(mén)的流出和吸入,*沿爐門(mén)高度上的靜壓頭的變化對(duì)氣體流出和吸入量有影響。,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)微元面積dF的流量，為：,dF,爐門(mén),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,窯底與z間的伯努利方程為：,熱工過(guò)程與設(shè)備

3、 第一章,把 近似看作常數(shù) ，作為平均流量系數(shù)，則,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,總結(jié)】,小孔,爐門(mén),試一試】,其它形狀爐門(mén)情形如何計(jì)算?,根據(jù)P6，上部斷面的幾何壓頭小于下部斷面的幾何壓頭，而靜壓頭則相反。,即：上部斷面的靜壓頭 大于 下部斷面的靜壓頭。,？、,浮力看成重力，,重力作用明顯，浮力可忽略時(shí)，上部小、下部大。,浮力作用明顯，重力可忽略時(shí)，上部大、下部小。,1-10 某窯爐的窯墻厚為240mm,上下各有一個(gè)直徑為200mm 的小孔，兩孔間垂直距離為1m,窯內(nèi)氣體溫度為1000，煙氣標(biāo)態(tài)密度為1.32kg/m3，外界空氣溫度為20 ，窯內(nèi)零壓面在兩個(gè)小孔垂直距離的中間。求通過(guò)上下兩個(gè)小孔的

4、漏氣量。,（1）解：,根據(jù)P6，上部斷面的幾何壓頭小于下部斷面的幾何壓頭，而靜壓頭則相反。,即：上部斷面的靜壓頭 大于 下部斷面的靜壓頭。,本題：零壓頭在兩小孔中間，所以上孔肯定為正壓（氣體溢出），下孔為負(fù)壓（吸入空氣）。所以有：,解法2,解法3,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（二）分散垂直氣流法則,垂直分散氣流 ： 一股氣流在垂直通道中被分割成多股平行小氣流。,垂直分散氣流法則：垂直通道中，使熱氣體自上而下流動(dòng)，冷氣體自下而上流動(dòng)。,問(wèn)題：設(shè)a、b通道等截面，則 為保證 a、b通道內(nèi)溫度均勻，應(yīng)具備什么條件？,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,a通道伯努利方程:,截面為基準(zhǔn)面，則：,a通道等截面，則：,氣流

5、自上而下流動(dòng)時(shí)，則：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,氣流自下而上流動(dòng)時(shí)，則：,條件：欲使a、b通道溫度均勻，需使 a、b兩端靜壓差相等，即：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,a、b通道溫度分布均勻的條件是：,氣體自上而下流動(dòng)時(shí)：,氣體自下而上流動(dòng)時(shí)：,通道內(nèi)的幾何壓頭和阻力損失相等。,所以,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,分析兩種情況：,？,？,？,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱氣體自下而上流動(dòng)時(shí)：,具體分析熱氣體情形：,假若,幾何壓頭為推動(dòng)力,原因：P6,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱氣體自上而下流動(dòng)時(shí)：,假若,1,幾何壓頭為阻力,冷氣體自下而上流動(dòng)時(shí)：,冷氣體自上而下流動(dòng)時(shí)：,垂直分散氣流法則：垂直通道中，使熱氣體自上

6、而下流動(dòng)， 冷氣體自下而上流動(dòng)。,課下自學(xué)內(nèi)容,分散垂直氣流法則適用條件,幾何壓頭起主要作用的通道,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,1.2 窯爐系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動(dòng),不可壓縮氣體的流動(dòng),可壓縮氣體的流動(dòng),氣體射流,熟練掌握,了解,了解 自學(xué),伯努利方程的適用氣體：,不可壓縮氣體、穩(wěn)態(tài)、等溫（e=0）流動(dòng),二、可壓縮氣體的流動(dòng),可壓縮氣體能量方程：,可壓縮氣體怎樣做能量的換算？,可壓縮氣體是否有伯努利方程？,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,可壓縮氣體絕熱流動(dòng)的伯努利方程：,絕熱指數(shù),單原子氣體， 雙原子氣體（包括空氣）， 多原子氣體（包括過(guò)熱蒸汽）,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,1-11 為獲得較高空氣流速，使煤氣與空氣

7、充分混合，采用高壓空氣流經(jīng)圖示氣體噴嘴，在1、2界面測(cè)得高壓空氣壓強(qiáng)分別為P1=12at，P2=10at （1at=98070Pa ），1處流速w1 =1000m/s,溫度t1=27，求噴嘴出口速度w2為多少？。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,可壓縮氣體流動(dòng)與不可壓縮氣體區(qū)別顯著。不可壓縮流動(dòng)時(shí)，只有熱交換才能引起流體溫度變化；但可壓縮流動(dòng)時(shí)，溫度可隨流速而變。靜止溫度Ts下，流速增加，溫度降低,可壓縮不可壓縮氣體的區(qū)別，可用于選擇或天空或判斷,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（一）音速和馬赫數(shù),1、聲波在氣體中的傳播速度-音速方程式,音速： 聲波在彈性介質(zhì)中的傳播速度。（a，m/S）,音速,聲音來(lái)源于物體

8、振動(dòng)，該振動(dòng)會(huì)引起介質(zhì)壓強(qiáng)和密度的微弱變化，這種微擾動(dòng)在介質(zhì)中依次傳播，就是聲音的傳播過(guò)程。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,考察,聲波在氣體中傳播時(shí),引起溫差變化很小,傳播速度很大,聲音在氣體中傳播屬于可逆絕熱過(guò)程（等熵 ，q=0）,即等熵時(shí)：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,如空氣， ， ，則聲音在空氣中傳播速度為,音速與溫度有關(guān)，也為狀態(tài)參數(shù)； 與地域、季節(jié)等有關(guān),音速大小反映氣體可壓縮程度，音速越大則氣體的可壓縮程度越小。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,2、馬赫數(shù),管流某界面,氣流速度w, m/S,當(dāng)?shù)匾羲賏,則逆氣流方向，聲波傳播速度為：,其中：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,氣體流動(dòng)可根據(jù)Ma大小來(lái)分類,Ma

9、 1，不可壓縮流動(dòng),Ma 1，亞音速流動(dòng),Ma1，跨音速流動(dòng),Ma1，超音速流動(dòng),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,滯止（滯留）參數(shù)：流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，流速為0 的參數(shù)（以下表s 表示）,滯止參數(shù)一定時(shí)，氣流中的音速大小取決于氣流速度。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,可壓縮流體流速與斷面的關(guān)系,不可壓縮流體，流速與斷面反比。,可壓縮流體，,可壓縮不可壓縮氣體的對(duì)比，可用于選擇或天空或判斷,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,可見(jiàn)： Ma1（超音速流動(dòng)）時(shí)，流速與斷面呈正比。流速隨斷面增大而增大，隨斷面減小而減小。 Ma1（亞音速流動(dòng)）時(shí)，流速與斷面呈反比。流速隨斷面增大而減小，隨斷面減小而增大。 Ma1時(shí)，對(duì)應(yīng)臨界斷面。

10、,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（二）可壓縮氣體通過(guò)漸縮噴嘴流出,1、流量和流速,（高壓氣體）,罐容量足夠大，氣體參數(shù)可視為常數(shù),罐容量足夠大，氣體流速視為零，處于滯留（滯止）狀態(tài)，（以下標(biāo)S標(biāo)出）,氣體流出過(guò)程,流速增加、壓強(qiáng)下降,氣體在噴嘴中流速大，可視為絕熱。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,理想、可壓縮氣體能量方程：（注意：不能用伯努利方程）,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,理想氣體焓：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,絕熱過(guò)程：,由絕熱方程：,由：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,由：,*實(shí)際：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,2、極限速度和臨界速度,（1）極限速度,討論：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,試驗(yàn)：若想維持氣體滯止參數(shù)和出

11、口斷面F2，采取一定手段使噴嘴出口處壓強(qiáng)Pa可連續(xù)調(diào)節(jié)。則：,環(huán)境壓力Pa由Ps起逐漸下調(diào)，則出口處壓強(qiáng)P2等于Pa也連續(xù)下降。但P2下降有一限度，Pa小到一定值時(shí)，P2不再隨之下降，而是P2Pa。,Pa,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（2）臨界速度,m 有最大值E點(diǎn),定義：E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為臨界狀態(tài)， 相應(yīng)參數(shù)為臨界參數(shù)（用下標(biāo)cr表示）,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,由絕熱方程：,問(wèn)題：怎樣求 ？,臨界參數(shù)僅與滯止參數(shù)和氣體絕熱指數(shù)有關(guān),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,*臨界速度等于當(dāng)?shù)匾羲?熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,擁塞效應(yīng),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,可壓縮氣體由漸縮噴嘴外射流出的極限：,壓強(qiáng)（背壓）：低至 臨界

12、壓強(qiáng),溫度：低至 臨界溫度,速度：高至 臨界速度，當(dāng)?shù)匾羲?馬赫數(shù)：1,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（三）可壓縮氣體由漸縮至漸擴(kuò)噴嘴外射流出,漸縮漸擴(kuò)管拉伐爾噴嘴： 利用氣體壓力能獲得超音速出口氣流,喉部：漸縮、漸擴(kuò)的結(jié)合部。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,1、氣體參數(shù)與噴嘴斷面積與速度變化的關(guān)系,能量方程：,（1）,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,狀態(tài)方程：,絕熱方程：,*dw0，則 dP、d、dT均0,（2）,（3）,改書(shū)上錯(cuò),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,狀態(tài)連續(xù)性方程：,（4）,（4，）,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,*亞音速氣流在漸縮段加速、在漸擴(kuò)管減速； 超音速氣流在漸縮段減速、在漸擴(kuò)管

13、加速；,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,漸縮噴嘴對(duì)應(yīng)滯止壓強(qiáng)不需過(guò)高。P22,拉伐爾噴嘴對(duì)應(yīng)滯止壓強(qiáng)要高于臨界壓強(qiáng)。,實(shí)際操作時(shí)：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,2、氣體參數(shù)與噴嘴斷面積與馬赫數(shù)的關(guān)系,已知：,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,1.2 窯爐系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動(dòng),不可壓縮氣體的流動(dòng),可壓縮氣體的流動(dòng),氣體射流,熟練掌握,了解,了解 自學(xué),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,三、氣體射流,射流： 氣體脫離了原來(lái)限制它流動(dòng)的管道，不再受固體壁面的限制，而在空間連續(xù)擴(kuò)散流動(dòng)。(噴射到窯內(nèi)的可燃?xì)?；煙囪冒出的煙氣等?) 與管流有本

14、質(zhì)區(qū)別。因不再受璧面的影響限制、與周圍氣體接觸混合,層流射流：管嘴直徑較小，噴出氣量小時(shí)， 在管嘴出口處形成層流射流。,湍流射流：管嘴直徑較大，噴出氣體流速較大 時(shí)，在管嘴出口處形成湍流射流。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,自由射流：氣體噴射到充滿靜止介質(zhì)的無(wú)限空間中 去，射流完全不受固體壁面的限制。,受限射流：氣體噴射到有限空間時(shí)，射流要受到空 間的部分限制。,研究射流規(guī)律目的：P27,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（一）自由射流(湍流),等溫自由射流：噴出氣流與周圍介質(zhì) 溫度、密度相等,非等溫自由射流：噴出氣流與周圍介質(zhì) 存在溫度差、密度差,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,1、自由射流的形成和特點(diǎn),（1）自由

15、射流的形成和外形特點(diǎn),湍流：氣體橫縱向流動(dòng)，噴出氣體則與周圍空氣不斷摻和，交換能量、動(dòng)量，一起向前流動(dòng)。,流量、橫斷面不斷增大，流速不斷降低，形成向周圍擴(kuò)散的錐形體，最終消失在空氣中。,內(nèi)邊界,邊界層,外邊界,內(nèi)邊界,極點(diǎn)M,極角,核心收縮角,邊界層,核心區(qū),轉(zhuǎn)折截面,開(kāi)始段,主段,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,外邊界：速度等于零的邊界,內(nèi)邊界：速度保持初速度的邊界,極點(diǎn)：外邊界的交點(diǎn),極角：外邊界與x軸的夾角,核心收縮角：內(nèi)邊界與x軸的夾角,邊界層：內(nèi)、外邊界之間的區(qū)域,核心區(qū)：保持初速度的區(qū)域,轉(zhuǎn)折截面：只有x軸上一點(diǎn)還保持初速度的截面,開(kāi)始段：噴嘴出口至轉(zhuǎn)折面之間的射流區(qū)域,主段：轉(zhuǎn)折面以后至

16、射流消失的射流區(qū)域,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,近似認(rèn)為自由射流內(nèi)部壓強(qiáng)不變，等于周圍氣體的壓強(qiáng)。沿x軸動(dòng)量不變、動(dòng)能減小。,（2）自由射流的流動(dòng)特點(diǎn),自由射流可近似認(rèn)為是一維流動(dòng)。,自由射流內(nèi)各截面上速度分布有相似性,壓強(qiáng) P,動(dòng)量 mw,流量 V,動(dòng)能,中心速度,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,2、自由射流中各運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化關(guān)系（阿勃拉 莫維奇）,（1）主段,極角,湍流系數(shù),改錯(cuò),熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,射流半徑Rx,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,軸心速度wc,動(dòng)量守恒,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,體積流量Vx,平均流速,質(zhì)量平均流速,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（2）開(kāi)始段,核心區(qū)長(zhǎng)度L（開(kāi)始段的長(zhǎng)度）,熱工過(guò)程

17、與設(shè)備 第一章,噴嘴出口斷面至極點(diǎn)距離,核心收縮角,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,核心區(qū)流量,體積流量,邊界層內(nèi)流量,總體積流量,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,截面平均速度,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,3、矩形射流及平面射流,（1）矩形射流,氣體從矩形截面出口噴出的射流,折算為截面相等的圓截面,平面射流,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,（2）平面射流,氣體從狹長(zhǎng)縫隙中噴出的射流。,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,P33，表1-7,熱工過(guò)程與設(shè)備 第一章,4、溫差射流及濃差射流,射流的周圍氣體的溫度和密度與噴射氣體不同，使自由射流的溫度和濃度發(fā)生變化。,噴射氣體與周圍氣體混合,發(fā)生熱量、質(zhì)量交換,熱量擴(kuò)散較動(dòng)量擴(kuò)散快,溫度邊界層比速度邊