硅酸盐热工基础第二章PPT优质PPT.ppt

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用压缩系数p表示。

m2/N或1/Pa,p的物理意义气体温度一定时，气体压强增加1Pa，气体体积的相对变化率。

13,理想气体的压缩系数：

某一压强p范围内的平均压缩系数：

14,理想气体：

或,液体的压缩系数很小，可视为不可压缩流体。

气体的压缩系数很大，为可压缩流体。

特殊情况：

压强变化很大时考虑压缩性,特殊情况：

压强变化较小时视为不可压缩,流体压缩性的区别：

15,标准状态：

温度：

0压强：

1atm（1atm=101325Pa）,标态参数表示：

物理量下角标加“”单位前面加大写“N”,【规定】,例：

标态密度：

o单位kg/Nm3标态流速：

wo单位Nm/s标态体积：

Vo单位Nm3,16,令：

标准状态参数：

poToVoowo任意状态参数：

pTVw,对于不可压缩气体：

ppo,根据理想气体状态方程，得：

所以有：

17,膨胀性随t变化。

其中：

T=t+T=t+273.15K,所以：

18,【推论】,体积:

m3,流速（截面积不变时）：

19,所以，关键是区分是否可压缩性气体？

喷射器、烧嘴等个别情况：

p变化大（p0.2atm），w大（接近或大于当地音速）此时const，是可压缩气体,20,气体的膨胀性和压缩性,气体的压缩性和膨胀性通常可以用膨胀系数和压缩系数来表示：

膨胀系数压缩系数,工程上也常用的倒数，称为气体的体积弹性模数E来表示压缩性,1/Pa,1/K,N/m2,21,理想气体过程的多变方程多变过程：

有热量传递的气体的膨胀或压缩过程,绝热方程,22,

（1）牛顿内摩擦定律,2.3气体的粘性,所以，粘性是内摩擦力的表现！

23,牛顿内摩擦定律：

运动流体的内摩擦力的大小与两层流体的接触面积成正比，与两层流体之间的速度梯度成正比。

内摩力的方向与流体运动方向相反,动力粘度,24,

（2）粘度及其换算,速度梯度为1时单位接触面积上的内摩擦力,粘度粘性流动性,理想流体,实际流体,流体无粘性、完全不可压缩，运动时无抵抗剪切变形的能力。

流体具有粘性，运动时有抵抗剪切变形的能力。

流体,25,相对粘度：

恩氏粘度，国际赛氏秒、商用雷氏秒等，我国常采用恩氏粘度。

（m2/s）,恩氏粘度与运动粘度的关系：

恩氏粘度：

200ml试液，在测定温度下，从恩氏粘度计流出所需要的时间t（s）与同体积的蒸馏水在20时从恩氏粘度计流出所需要的时间t0（s）的比值。

粘度较小,粘度较大,26,粘度与温度的关系流体的粘度受压强的影响很小，温度的变化对粘度影响很大。

液体液体产生内摩擦力的主要原因：

分子引力分析：

温度升高，液体体积膨胀，分子间距加大，引力减小，粘度减小。

27,气体产生内摩擦力的主要原因：

分子热运动引起的动量交换分析：

温度升高，分子热运动加剧，动量交换增多，粘度增大。

28,气体动力粘度与温度的关系式：

C与气体性质有关的常数（p3页表1-1）。

Pas,空气：

0=1.7210-6；

C=122烟气：

0=1.5110-6；

C=173,29,其中：

d-是气体管道的内径-称为运动粘度，,m2/s,雷诺数：

粘度与温度的关系：

30,2.4空气的浮力,原理：

阿基米德定律。

设：

一流体中，一物体，体积V,则，浮力：

F=V流体g,重力：

P=V物体g,31,讨论：

（1）假设1m3流体（液体）在空气中,PF，所以液体在空气中的浮力可忽略不计。

所以说水总是由高处向低处流动。

重力：

P=V物体g浮力：

F=V流体g,32,

（2）假设是1m3热空气在冷空气中,则：

P=5.89N（）F=11.77N（）,可见，P0,由此可见，热烟气在没有机械能加入的情况下，将会在净浮力的作用下，热烟气由下向上自动流动。

F=V流体g,123end,33,3气体力学基本方程式,34,3气体动力学基本方程式,3.1质量守恒原理连续性方程（稳定态一元流）对具有一个入口断面F1和一个出口断面F2的稳定态管流在1-1截面,气体质量流量m1=F111在2-2截面,气体质量流量m2=F222,35,稳定流动时，单位时间内通过截面和截面的质量流量相等F111=F222=m若气体为不可压缩气体1=2F11=F22=V=常数m3/S结论:

不可压缩气体做稳定流动时,横截面积越小处,流速越大.,36,不可压缩气体,若是圆形管道：

公式建立的条件：

无分支、无汇合，无加入、无泄漏、等温、等压。

37,3.2能量守恒原理伯努利方程,3.2.1伯氏方程在窑炉中的应用形式,

（1）理想气体,假设：

（1）不可压缩理想气体，无粘性，无摩擦力；

（2）变截面管道，稳定而连续的流动；

（3）无外功输入，也无加热或冷却设备。

则：

气体流动时无能量损失和内能的增减，只有位能、动能、静压能三种能量之间的相互转换。

38,根据伯努利方程：

（a）对单位质量、受1N重力的流体,39,等温段中，const（该段气体平均温度下的密度）,（b）对单位体积（1m3）、受重力gN的气体（热工中）,单位：

J/m3=N/m2=Pa,40,上式的应用条件：

（1）理想气体，无粘性，无能量损失；

（2）气体在渐变流截面管中作稳定流动，沿流线，无旋涡，其参数不受时间影响；

（3）不可压缩气体，p0.2atm，分段等温,=const；

（4）仅受重力场作用，不受磁场等影响。

（5）动能是对整个截面而言的，所以w是整个截面的平均值；

（6）截面高度Z是指截面形心点与基准面的距离。

基准面在气体断面下方Z叫高度，为正值；

基准面在气体断面上方时，Z叫深度，为负值。

41,

（2）实际气体,实际气体有粘性，流动过程中有能量损失。

表示气体从1-1截面流至2-2截面的总能量损失,42,管内热气体由1-1至2-2的伯氏方程：

管外相同高度上空气由1-1至2-2的伯氏方程：

（假设空气是静止的）,（3）适用于两流体的伯努利方程,43,因窑炉系统与外界大气是相连通的，考虑外界冷空气对窑内热气体的浮力作用，两式相减，得：

因热气体的a,换基准面（新基准面）：

基准面在气体断面上方，向下为正值；

44,上式简写：

上式中每一项都称为“压头”（相对压头），使用时注意基准面的选取!

基准面取在气体断面的上方,向下为正值,特点：

上部断面的hge下部断面的hs,适用于两流体的伯努利方程,约定：

上游为“1-1”截面，下游为“2-2”截面,45,3.2.2公式中各项压头的物理意义,适用于二流体的伯氏方程:

46,几何压头实际上即单位体积的热气体在净浮力的作用下所具有的位能：

（F-P）H0方向总向上，热烟气会由下向上自动流动。

3.2.2.1几何压头（geometryhead）,hge=H（a-）gJ/m3,Pa,物理意义：

管道内单位体积的热气体和管道外同高度上单位体积冷空气具有的位能差。

沿高度上的分布:

上小下大.基准面设在上方,基准面上hge=0,47,3.2.2.2静压头（statichead）,hs=p-paJ/m3,Pa,物理意义：

管道内单位体积热气体比管道外同一水平面上同体积冷空气多具有的静压能。

0，正压，向外逸热气,0，零压,0，负压，向内吸冷气,由静压头造成的气体流动，其方向总是由压强大的地方流向压强小的地方。

凡出口与大气相通处,其静压头为零沿高度上的分布上大下小,hs,48,测量：

可用各种压力表测其“表压”。

压头与表压数值上相等，但物理意义不同。

表压单位面积上的力，有方向，是压强。

压头1m3气体的压力差，无方向，是能量。

测量时，一端与大气相通，另一端与热气体相通，管口于气流方向,49,3.2.2.3动压头（kinetichead）,测量：

用毕托管测量,全压=动压+静压,J/m3,Pa,物理意义：

单位体积气体流动时所具有的动能。

50,3.2.2.4压头损失（Lossofhead）,hL,（1-2）=hf+hlJ/m3,Pa,物理意义：

单位体积气体由截面1-1流至截面2-2过程中损失的总能量。

l流程长度，md管道内径（园形管道）当量内径（非园形管道）de=4F/s摩擦阻力系数（无因次）,J/m3,Pa,

（1）摩擦阻力hf（frictionresistance）,51,摩擦阻力系数可用下式计算：

=f（Re,）b/（Ren）,式中b、n是与管壁相对粗糙度（）有关的系数,层流时：

b=1，n=64，=1/Re64,湍流时：

参阅下表（教材P7页表1-2）,52,Re2300时，流体作层流流动；

Re4000时，流体作湍流流动；

2300Re4000时，属过渡流。

在这个范围内，流体的流动状态是不稳定的，可能转向层流，也可能转向湍流。

实验条件好时，上临界值可延至104以上。

53,

（2）局部阻力hl（localresistance）,当气流通道局部变形，如扩张、收缩、捌弯、汇流、分支、设闸板等障碍物时，气流速度与方向均发生变化，气体质点与质点间、质点与管壁间发生碰撞，形成旋涡等，产生局部的能量损失。

hlocal=hkJ/m3,Pa,（3）综合阻力,h综合=综hkJ/m3,Pa,54,减小阻力的途径：

hfw1.81.9,hLw2经验（窑炉通道）：

300400C，w经验=23Nm/s600800C，w经验=1.52.0Nm/s,

（2）减小阻力系数：

“园、平、直、缓、少”,（3）减小窑内料垛对烟气流动的阻力,

（1）减小hk,1.2.3end,55,3.2.3压头转换-用压头转变图表示,约定：

上游为“1-1”截面，下游为“2-2”截面,根据二流体伯努利方程：

hge1+hs1+hk1=hge2+hs2+hk2+hL,（1-2）,用压头转变图来表示压头之间的转换,+,-,h1,H,h2,56,

（1）hgehs,热气体在截面积不变的垂直管道中流动时，流速不变，所以动压头不变。

如图,即hk1=hk2,当热气体由下向上流动时：

2-2为基准面hge2=0hge1+hk1=hs2-hs1+hk2+hL,（1-2）,几何压头的减小增加了静压头,几何压头是推动力。

如图,57,当热气体由下向上流动时：

压头转变图,几何压头是推动力,58,热气体在垂直管道由中由上向下流动，且管径不变,1-1和2-2的伯努力方程:

1-1为基准面,即hshg（几何压头视为“能量损失”）,表示静压头转换成了几何压头，此时几何压头变成一种“阻力”。

hg1=0,当热气体由上向下流动时：

59,01,当热气体由上向下流动时：

压头转变图,几何压头是阻力,60,61,流体在一水平的、逐渐扩张的管道中流动,同理流体在渐缩管道中流动时:

hshk,1-1和2-2的伯努力方程:

因为hk1hk2,即hkhs,则hs2hs1,热气体在渐扩（或渐缩）的水平管道中流动。

即hge1=hge2,

（2）hkhs,压头转变图如何画？

62,热气体由下向上在截面逐渐变小的垂直管道中流动,1-1和2-2的伯努力方程:

热气体由下向上流动时，逐渐将几何压头转变为静压头、动压头，并消耗部分能量用于克服压头损失。

2-2截面为基准面,hg2=0,则:

（3）综合转换,如热气体在收缩形垂直管道内向上流动（如烟囱中）,63,（3）综合转换,在烟囱中,若基准面选在2-2，则hge2=0，hs2=0，hs10即烟囱底部总是负压（抽力），相当于：

hge1=-hs1+（hk2-hk1）+hL,（1-2）,压头转变图如何画？

64,hL.（1-2）,hk2,hge1,压头,流程,hs1,hk1,hge1+hs1+hk1=hk2+hL,（1-2）,压头转变图,若基准面选在2-2，则hge2=0，hs2=0，hs10,1,1,2,2,65,1）首先列两流体伯努利方程2）取基准面（一定取上截面为基准面）3）分析各截面的压头项的大小4）画出的压头转换图应该为矩形或平行四边形（有负压头时）5）最后通过图检验能量平衡,小结：

压头转换图画法,66,压头间转变规律图：

67,3.3动量守恒原理,动量原理：

其研究思路是在流动系统中划定一个区域，将该区域中的气体当作一个质量整体，并将该整体中的局部压力和速度表示为力和动量，来研究气体在单位时间内的动量变化与外力间的关系。

68,动量原理牛顿第二定律的另一表达形式：

冲量动量,上式的物理意义：

在d时间间隔内，作用于物体的冲量等于物体动量的增量。

N,69,若合外力F=0则：

d（mw）=0即：

mw=const，动量守恒，此时用动量守恒方程来处理,动量守恒方程应用于合外力等于零、但内部损耗很大的情况。

如：

（1）击砂包

（2）喷射器等,若合外力F0则：

d（mw）0即：

mwconst，动量不守恒，此时用动量原理来处理。

70,作业：

P64页1-3、1-4,（p2-p3）F3=（m1+m2）w3（m1w1+m2w2）其中：

w2m3=m1+m2,71,hgehs示意图,-hgehs+hL,（1-2）,72,73,窑炉内：

（101325200）Pa（10.002）atm管道内、烧嘴内：

（10132520000）Pa（10.2）atm,单位换算：

1atm=101325Pa0.1MPa=100KPa,74,75,返回42,返回43,76,1-2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）,77,1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。

78,1.1气体通过炉墙小孔的流出和吸入,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）F2F1w1w2，w10,hk10,hge1=hge2,hs2=0,分析,79,因此上面伯努利方程可改写成：

hs1=hk2+hL,1-2=（1+）hk2,流出气量：

80,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“流出”，（即此时是对冷空气列伯努利方程）：

吸气量：

（P13页表1-3）,留作补充习题自己去推导,81,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处炉墙小孔的流出气体情况：

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）hk2,此推论可解决炉门问题!

即：

Z（a-）g=pZ-pa=,82,1.2气体通过炉门的流出和吸入,83,炉门宽B，高H，微元面积：

dF=BdZ,通过微元面的流出气量:

整个炉门的流气量：

高度Z处炉墙小孔的流出,84,将上式中的流量系数看作常数（整个炉门的平均流量系数），则炉门流气量：

（精确计算）,用牛顿二项式展开后得：

（近似计算）,结论：

炉门越宽、越高，漏气量越大。

吸入问题以此类推。

85,1.3分散垂直气流法则,分散垂直气流,一股气流在垂直通道内被分割成多股平行小气流的现象。

法则,在分散垂直通道内，热气体应自上而下流动冷气体应自下而上流动，才能使气流温度分布均匀。

适用条件,几何压头起主要作用的场合,86,1.3分散垂直气流法则,使热气体由上向下流动冷气体由下向上流动，自动调节窑内的温度。

87,如图：

并联通道，设为等径（等截面），热气体,等截面，hk1=hk2-hs=hge+hL.1-2,又A、B两通道是并联的A、B两通道静压差相等即:

-hsA=-hsB,列1-1至2-2截面的伯氏方程为：

88,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hgehL.1-2时，温度是否分布均匀决定于：

当hgehL.1-2时,89,则：

AB,假设流动自上而下，开始tAtB,VAVB,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tAtB时：

AB,VAVB,几何压头是阻力,90,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。

91,92,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。

93,圆形倒焰窑工作流程示意图,94,1、窑室2、燃烧室3、档火墙4、喷火口5、吸火孔6、支烟道7、主烟道8、窑门9、窑孔顶10、窑箍11、看火孔间歇式倒焰窑,95,热气体产生于燃烧室，经挡火墙、喷火口至窑顶，然后从上向下流动，经产品料垛间空隙，将制品加热，再经吸火孔、支烟道、主烟道，最后经烟囱排入大气。

由于火焰自上而下流动，所以称之为倒焰窑。

作业：

64页1-5,4.5end,96,2可压缩气体的流动,即：

p/p020%，或者p20kPa时,2.1特点和假设,1.气体的压强在流动过程中是逐渐降低的,流道短流速高可看作绝热过程符合绝热方程,3.气体流动是一维流动,3.4.5end,97,2.1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）。

98,其中：

音速，m/sE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：

99,若介质为空气，=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。

100,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，w0，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,101,2.2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、sws（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（T）；

102,2.2.1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：

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：

=1.3,103,任一截面处压强（p）与之比，恒等于滞止状态下ps/s之比。

2.2.2密度变化规律,由上得：

p1/ps1，1/1，所以1/s1，即1s,104,2.2.3温度变化规律,绝热过程p相当于膨胀，内能，所以T,其中：

p1/ps1，（-1）/1所以：

T1/Ts1，即T1Ts,另，由理想气体状态方程得：

105,2.2.4流速与流量变化规律,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）,106,e=CVT，R=CPCV，,代入

（1）式得：

-

（2）,107,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。

108,（3）,

（2）,

（1）,内能形式,压强形式,热焓形式,109,由

（2）式得：

代入上式得：

ws0，,110,同理，由,得流速的三种解法：

111,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,m=m,、与实际流动状态有关Re106时，0.960.99=0.99,112,2.2.5极限流速及临界速度,极限流速（p20，即向真空喷出）：

此时，m=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。

113,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）,114,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定值后，流速不再随压强比的减小而继续增大的现象。

115,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：

116,

（2）温度比,（3）音速比,（4）临界流速,（5）最大流量,

（1）密度比,117,2.3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=12-2断面以前（收缩段）：

Ma1,118,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）,119,

（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）0dFdw正消长关系,（a）亚音速流动时：

Ma1，（Ma2-1）0dFdw负消长关系,（b）跨音速流动时：

Ma1，dF、dw不变,120,由连续性方程式wF=C，取对数并微分，d/+dw/w+dF/F=0a2=dp/da2=w2/M2dp/=-wdw，1/FdF=（M21）1/wdw,三、流速与断面的