硅酸盐工业热工基础-流体力学在硅酸盐工业中的应用

2.1窑炉系统内的气体流动

一、教学要求 【掌握内容】

（1）气体从小孔中流出和吸入窑炉时流量的计算 （2）气体通过炉门的流出和吸入窑炉时流量的计算 （3）分散垂直气流法则的内容 【理解内容】

利用伯努力方程分析小孔或炉门溢气 【了解内容】

利用伯努力方程验证分散垂直气流法则 二、教学重点与难点 【教学重点】 小孔、炉门溢气计算 【教学难点】 伯努方程的分析应用

三、教学方法

分析硅酸盐工业生产的实例，强调基础理论的应用，讲解计算方法。 四、教学时数 【建议学时】2学时

五、教学内容 2.1.1不可压缩气体的流动 2.1.1.1气体流出和吸入窑炉 1、气体通过小孔的流出和流入

如图，容器中的低压气体的压强为P，密度为，容器壁上有一个出口面积为F的小孔或喷嘴，

外界大气压为Pa，在压差P-Pa的推动下，气体从小孔流出。

气体流出时，静压能转变为动压头，在流出气体的惯性作用下，气流发生收缩，在Ⅱ截面处形成一个最小截面，这种现象称为缩流。

缩流系数：

列出容器内任一截面Ⅰ及小孔外流股最小截面Ⅱ的伯努力方程：

因Z1=Z2.，，所以；因F1>>F2，w1<

气体伯努力方程简化为：

即：

令 速度系数

则；

通过小孔截面流出的气体体积流量为：

通过小孔截面吸入的气体体积流量为：

缩流系数、速度系数和流量系数的值由实验确定，可查表。

2、气体通过炉门的流出和吸入

分析：气体通过炉门流出和吸入量的计算原理与孔口相似，但孔口的直径较小，在计算时认为沿小孔整个高度上气体的静压强不变，而炉门有一定的高度，在计算时要考虑炉门高度上静压强变化对气体流出和吸入量的影响。 流入、流出炉门的气体量及流速：

或利用下面公式计算：

式中 F—炉门截面积，m2，z0—炉门中心线至零压面的距离，m、

【例题】耐火材料倒焰窑的炉门高为1.8m，宽为0.9m，炉内热烟气平均温度为1400℃，烟气的标况密度为1.32kg/m3，外界空气密度为1.22kg/m3。已知炉底面的表强为－6Pa，求当炉门开启时，通过炉门的小时溢气量。(设流量系数为0.7) 【解】烟气密度：

求炉门溢气，必须先求出零压面，零压面以上为正压，热气溢出，零压面以下为负压，冷空气吸入。

设零压面在窑底上方x处，以窑底为基准面，列窑底1－1面与零压面的静力学方程：

零压面以上1.2m的炉门溢气，面积形心（A点）的静压强为：

零压面以下0.6的炉门吸入冷空气，面积形心（B点）的静压强为：

零压面上方炉门溢气量为：

零压面下方炉门吸入冷空气量为：

2.1.1.2、分散垂直气流法则

在窑炉中，当一股气流在垂直通道中被分割成多股平行小气流时，叫分散垂直气流。如玻璃窑中气体通过蓄热室格子体；水泥立窑中气体通过物料；倒焰窑中烟气通过制品等。

分散垂直气流法则：当热气体流过通道被冷却时，应自上而下流动；当冷气体流过通道被加热时，应自下而上流动。气体在各通道中分布均匀，否则分布不均匀。

证明：假定气体在垂直通道中自上而下流动，至1截面分成两股，在2截面处又汇合成一股，如图：以1－1截面为基准面，列出1－1、2－2截面的伯努力方程： a通道：

因为hg1,a=0，hk1,a=hk2,a，方程简化为：

b通道：

要使温度在a、b通道内均匀分布，必须使a、b通道两端的静压差相等，即：

在a、b通道内温度均匀分布的条件是：

当hg<<∑hl时，即几何压头对于气流温度分布的影响可以忽略不计时，温度在a、b通道内的分布将与气流方向无关，主要决定于两通道内的阻力损失，当两通道的阻力损失相等时，温度在a、b通道内就能均匀分布。

当∑hl<

若热气体自上而下经过a、b通道，当ta，hg2,a

时，其几何压头为阻力，因而a通道内的总阻力减少，Va增大，Vb减少。Va的增大会使ta升高，致使ta=tb，

，hg2,a=hg2,b，造成热气体在通道内的温度均匀分布。

若热气体自下而上经过通道时，几何压头是推动力，温度越高，几何压头越大，推动力大，气体流量越大a通道温度低，流量越来越小，温度越来越低，造成恶性循环。

可见热气体被冷却时，采用自上而下的流动方式时，流量（温度）在各通道中会自动分布均匀。 同理可证明，冷气体被加热时，采用自下而上流动时会自动分布均匀，相反的流动方向分布不会均匀。

2.1.2可压缩气体的流动（自学）

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