热处理炉 02气体力学.ppt

1.1第二章 气体力学授课人：杨晓敏North University of China College of Materials Science and Engineering2008.01.04返回总目录返回总目录 1.2教学提示教学要求：各种热处理炉，特别是可控气氛炉和燃料 炉，都涉及炉气运动炉气运动对炉内传热 、炉温均匀性等都有很大的影响，因此设计 和使用热处理炉的主要任务之一是合理引导 炉内气体运动 第二章 气体力学：掌握炉气的压头概念及其分布特点、规 律及在热处理炉上的应用；掌握流动气体 性质、能量转换、伯努利方程及其在热处 理炉上的应用了解炉气力学在电阻炉、 燃料炉中的利用1.3§2.1 气体静力学§2.2 气体动力学及伯努利方程 [教学内容] [一般要求]1. 炉气在运动中的能量损失 [重点掌握]1. 炉气静力学在热处理炉上应用烟囱的抽气原理2. 连续性方程3. 伯努利方程1. 第二章 气体力学1.41、密度 例：在标准状态下（0℃，1.01325×105），1m3的烟气中含有 a(CO2)=12%，a(O2)=7%，a(N2)=81%，求其密度。

各种气体在标准状态下的密度（kg/m3）名称密度名称密度 空气1.293一氧化碳1.251 水蒸气0.804二氧化碳1.977 二氧化硫2.927氮气1.251 氢气0.089氧气1.429§2－1 气体静力学一、静止气体的能量1.5§2－1 气体静力学2、气体的压力和压力能气体压力：气体作用在容器单位面积上的力称为 气体压力单位为Pa绝对压力：气体压力若从绝对零点(绝对真空)算 起，则称为绝对压力，以P表示相对压力：气体压力若以大气压力为计算起点， 即同一水平面上容器内气体的绝对压力P与大气压力 Pa之差，称为相对压力1.6§2－1 气体静力学图1 表压力的测量＞0 ＜0 =01.7§2－1 气体静力学炉子操作往往用正压或负压的概念 例如：炉子压力具有＋5mmH2O，即 炉内气体压力比大气压高5mmH2O， 称之为正压操作如炉子压力具有－ 3mmH2O，则表示炉内气体压力比大 气压力低3mmH2O，称之为负压操作 1.8§2－1 气体静力学气体压力是气体分子储存能 量大小的一种表现形式.图3 气体推动活塞作功压力能(静压能)：1.9§2－1 气体静力学在距基准面高度为z，体积为 dV的静止气体所具有的位能：2、气体的位能压力能和位能关系？3、静止气体的平衡方程 气体处于静止状态，受力必平衡，z轴方向的平衡方程式为：它表征在重力场中不可压缩 流体的压力分布规律，可近似地 应用于一般炉内气体。

流体静力学基本方程式p+ρgz=常数图4 平衡气体的受力情况静止气体平衡方程式和静力学基本方程式的意义是什么？1.11图5 平衡气体的压力分布p+ρgz=常数1.12二、静止炉气与炉外空气的相对能量—压头压头：单位体积炉气与同一水平面上炉外单位体积空 气的能量之差称为压头1、静压头 单位体积炉气的压力能与同一水平面上炉外 单位体积空气的压力能之差hs大于0，炉气就有向炉外溢出的趋势；反之，就有吸入 空气的趋势§2－1 气体静力学1.13图6 静止炉气和空气静压头的分布1.14图7 静止炉气的静压头的分布在相对零压面以上，炉气的 静压头为正，越往上其值越大， 向外溢气；零压面以下，炉气的 静压头为负，越往下负值越大， 吸入冷空气静压头随炉子高度而变化，炉顶静压头总是比炉底 的高，其实质是，因炉内热气柱的密度小炉内热气的 绝对压力随高度增加而减小得慢；而炉外冷空气柱得密 度大，故空气的绝对压力随高度增加而减小得快静压 头是两者之差1.15例：设炉温为1000℃下炉气的密度ρg为0.1935Kg/m3，车间温度 为0℃当零压面控制在炉底时，求1m高度上的炉膛压力Pg和静 压头hs标准状态下空气的密度ρa0＝1.295Kg/m3)Pa1Pa0Pg0Pg11m1.16§2－1 气体静力学2、位压头 单位体积炉气的位能与同一水平面上炉外单位 体积空气的位能之差。

位压头之值与选取的基准面的位置有关，为了 使位压头为正，一般在热工设备中是把基准面选在 所研究系统的顶部1.17图8 静止炉气的位压头的分布位压头hp始终为正，随着高度的降低，静止炉气的位 压头越大其物理意义是，因炉内是热气，密度较空气的小 ，一团热气在空气中时，空气推着热气向上（浮）升，位压 头就是这种上（浮）升力大小的量度两种气体的密度差越 大，这种上升力就越大1.183、静止炉气静压头与位压头的关系 静止炉气在不同高度上，其静压头和位压头之和为一定值 ，二者可以互相转化，位压头可以转化为静压头，静压头也可 以转化为位压头，静压头大处，位压头必小，反之也是如此， 但其总压头之和不变，即压头守恒1.19§2－1 气体静力学（1）、 对于一般箱式电阻炉，如果炉膛封闭严密， 炉气只有炉底处与大气相通，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；pgpahs三、炉气静力学在热处理炉上的应用1、炉膛的溢气和吸气1.20§2－1 气体静力学（2）、对于气密性很好的炉膛，刚打开炉门一直到 开启炉门下沿为止；pgpa1.21§2－1 气体静力学2、炉气静压头和位压头之间的关系和转换h位h静（＋）零压在炉底零压在炉顶零压在观察孔h静（－ ）h位h静（＋）h静（－）h位1.22例 如图所示热处理炉，高3.2m，炉内烟气温度为1200℃ ，烟气标态密度ρg,0=1.3kg/m3，外界空气温度20℃，空气 标态密度ρa,0=1.295kg/m3， 当炉底平面的静压头为0Pa，- 17Pa，-30Pa时，不计流体阻力损失，求三种情况下，炉 顶以下空间静压头，位压头分布状况。

1.23解：根据题意分析，采用两气体静力学方程式进行计算选择 截面如图，基准面选择在炉顶II－II截面上列出静力学方程式 hs1 +hp1 = hs2 +hp2由于基准面取在截面II上，hp2= 0代入具体公式进行计算：1.241.25图9 烟囱的抽气原理示意图2、烟囱的抽气原理 1.262、烟囱的抽气原理是由于废气比周围的空气具有较高的温 度，其密度也就较小，因此废气具有一定的位压头，在烟囱 底部造成负压产生所谓“抽力”当炉气为热状态时，ρa＞ρg，故Pg2＞Pg2´此时系统内 炉气不可能保持平衡，必将从燃烧室被抽向烟囱底部理想抽力 1.272、烟囱的抽气原理 烟囱底部所能产生的“理想抽力”，主要决定于：烟 囱的高度、烟气和周围空气密度的差值烟囱愈高，“抽 力”就愈大；同样，若烟囱高度一定，则周围空气的密度 与烟囱中烟气的密度的差值愈大，“抽力”也就愈大冬季烟囱的“抽力”和夏季烟囱的“抽力”哪个大？冬季烟囱的“抽力”比夏季的大，这是因为冬季温度 低，空气密度大的缘故 1.28体积流量质量流量§2－2 气体动力学及伯努利方程1、气体流量和流速气体流量：在单位时间内流过给定面积的气体量，称为气 体的流量。

一、气体流动的性质1.29气体流速：气体的流动速度在管道截面上的分布通常是不 均匀的，工程上所说的流速是指管道中流体的平均流速，即 单位面积上的平均流量§2－2 气体动力学及伯努利方程气体流速1.30§2－2 气体动力学及伯努利方程(1/℃)气体随温度升高而膨胀根据气体方程，其在某一温度下的 体积、体积流量、速度和密度与在标准状态下之间的关系1.31图 切应力与速度梯度—法向速度梯度—流体的粘度系数，简称粘度，N·s/m2—切应力，N/m22、气体的粘性 粘性指的是当两层气体相对平移运动时，产生一个切向阻 力，企图阻止其发生相对运动这种切向阻力称为气体的内 摩擦力粘性大小程度称为粘度xyFv1.32气体粘度与温度的关系：—与气体性质有关的常数；—气体在273（K）时的动力粘度—气体在T（K）时的动力粘度；1.33粘性气体粘性气体在管中的速度分布理想气体在管中的速度分布§2－2 气体动力学及伯努利方程理想气体1.343、气体的流动形态§2－2 气体动力学及伯努利方程1.354、气体的动能与动压头动能：对于密度为ρ的单位体积的气体，其所具有的动 能Ed在数值上可表示为：动压头：管道内流动着的单位体积气体与管外空气之间 的动能差。

§2－2 气体动力学及伯努利方程1.36§2－2 气体动力学及伯努利方程5． 稳定流动和非稳定流动流体流动分为稳定流动和非稳定流动稳定流动， 是流体中任一空间点的物理量如温度、压力、速度等不 随时间而变化(不同点上的物理量可以不相同)而非稳 定流动，是任一空间点的物理量都随时间而变化在炉 子系统里，多数气体流动可近似地看成是稳定流动，少 数情况是非稳定流动，如炉门刚开时的溢气便属非稳定 流动1.37二、炉气在运动中的能量(压头)损失炉气在炉膛、烟道等通道内流动时会由于冲击及摩擦 等作用造成能量损失或压头损失，一般表达式：§2－2 气体动力学及伯努利方程K—阻力系数工程上为计算方便，常把能量损失分为摩擦阻力损失( 沿程阻力损失)和局部阻力损失两类1.38K摩－摩擦阻力系数，L为管道长度，d为管道当量直径管道状况K摩光滑金属管道0.03轻微氧化的金属管道0.035-0.04使用已久有锈的金属管道0.045砖砌管道0.05摩擦阻力系数1、摩擦能量损失hf ：由于气体的粘性、气体的摩擦力 引起的，是沿气体通道整个流程都存在的能量损失1.392. 局部能量损失hp：多数是由于局部地区存在各种小旋 涡而引起的能量损失，只是在某一局部区域存在的。

K局＝0.8K局＝0.5K局＝0.25(1)管道进出口的局部能量损失§2－2 气体动力学及伯努利方程1.40υ (2)管道转变一定角度时的局部能量损失§2－2 气体动力学及伯努利方程1.41(3)管道局部扩张或收缩时的局部能量损失υK局＝0.5(1-f2/f1)2υK局＝(1-f1/f2)2K局＝(1-f1/f2)2sinα管道扩张或收缩的局部阻力系数§2－2 气体动力学及伯努利方程1.42(4)管道分流或汇流时的局部能量损失K局＝2K局＝1.5K局＝1.5K局＝3管道流股分流或汇流时的局部阻力系数§2－2 气体动力学及伯努利方程1.43(5)闸门的局部能量损失闸门的局部阻力系数§2－2 气体动力学及伯努利方程1.44气体流动的连续 性方程式： ——气体流动时质 量守恒定律的数学表达式§2－2 气体动力学及伯努利方程v1v2f1f2气流的连续性研究对象：连续性流体、不可压缩、稳态流动三. 质量守恒方程——气体流动连续性方程假定流体是彼此间没有间隙且完全充满所占空间的连续介质组成1.45四、伯努利方程及其应用 1、流动流体的能量守恒方程——单一气体的伯努利方程ⅡZ1Z2υ1υ2ⅠⅠⅡhl根据运动物体的能量守恒定律， 当不可压缩的气体在管内作稳定 流动时，气体能量在其流动过程 中保持恒定。

气体的伯努利方程：1.46用压头的形式表示为：§2－2 气体动力学及伯努利方程2、炉气的伯努利方程（两气体的伯努利方程）动压头压头损失静压头位压头1.47运用伯努利方程时，应注意以下几个问题： 1、伯努利方程式是描述气体在流动时的能量守恒和转 换的定律因此，在应用时必须取两个截面 2、伯努利方程中的z，是指所取管道截面的中心线到选 定的基准面的距离基准面的选取应考虑到分析和计算 方便 3、压头损失应该算在气流流动方向的第二个截面上§2－2 气体动力学及伯努利方程1.48一截面逐渐收缩的水平砖烟道如图，已知烟气的 ρ = 1.2Kg /m 3 ，在 f 1 处的表压强是 260Pa ，在 f 2 处的表压强 是 100Pa ，两截面面积之比是 f 1 / f 2 ＝ 2 ， f 1 = 0.1m 2 ，求 气体通过烟道的体积流量（忽略阻力损失）？如果考虑阻力 损失，将会对流量产生什么结果（不需要计算）？1.49略解：截面如图，基准取在烟道的中心，。