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硅酸盐工业热工基础第一章

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热工基础复件 第一章

热工基础复件 第一章


第三节 烟囱和喷射器
列烟囱底部和顶部二截面柏努利方程
第三节 烟囱和喷射器
抽力：烟囱底部的负压的绝对值成为抽力。 抽力越大，烟囱的排烟能力越强 上式表明烟囱的抽力是由几何压头形成的，烟囱越 高，烟气的温度越高，空气的温度越低，则烟囱的 抽力越大，反之越小 代入并整理 上式说明烟囱中热气体的几何压头是推动力,它是克
1.1.2 气体动力学基本方程式
质量方程-根据质量守恒原理
能量方程-根据能量守恒原理 动量方程-根据动量守恒原理
状态方程-体现气体性质的状态方程
1.1.2 气体动力学基本方程式
稳态流动与不稳态流动
1.1.2 气体动力学基本方程式
1 质量方程-连续性方程(稳定态一元流)
gz (ρa-ρ) –几何压头,hge表示.重力和浮力的代
数和的位能 物理意义:单位体积的热气体在净浮力的作用 下所具有的位能.J/m3=Pa 沿高度上的分布:上小下大. 基准面设在上方,基准面上hge=0
1.1.2 气体动力学基本方程式
1/2 ρω2—动压头,hk表示
物理意义:单位体积的气体流动时具有的动能
热工基础的主要内容
第一章 气体力学在窑炉中的应用
第二章 传热学 第三章 干燥过程与干燥设备
第四章 燃料燃烧
第一章气体力学在窑炉中的应用
气体力学基础
窑炉系统内的气体流动 气体的输送设备——烟囱、喷射器
第一节 气体力学在窑炉中的应用
1.1 气体力学基础
1.1.1 气体的物理属性 1.1.2 气体动力学基本方程 1.2 窑炉系统内的气体流动 1.2.1 不可压缩性气体的流动 1.2.2 可压缩性气体的流动（自学） 1.3 烟囱 喷射器（自学）
热工基础 第1章 流体的基本概念和物理性质

热工基础 第1章 流体的基本概念和物理性质


§1.4 作用在流体上的力

本章重点：
1.流体的含义 2.流体质点、连续介质假设 3.流体的主要物理性质，重点是流体的易流动
性和粘滞性、牛顿内摩擦定律及其应用。
4.作用在流体上的力（表面力、质量力）
§1.1 流体力学发展史及应用 流体力学在中国
大禹治水
4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。
流体力学在工程中的应用
石油化工
流体力学在工程中的应用
机械冶金
流体力学塔
污水净化设备模型
流体力学在工程中的应用
气象科学
龙卷风
气象云图
流体力学在工程中的应用
生物仿生学
信天翁滑翔
应用广泛已派生出很多新的分支:
电磁流体力学、生物流体力学
化学流体力学、地球流体力学 高温气体动力学、非牛顿流体力学
第一篇 工程流体力学
☞你想知道高尔夫球飞得远应表面光滑还是粗糙吗？
☞你想知道汽车阻力来至前部还是尾部吗？
☞你想知道机翼升力来至下部还是上部吗？
☞你想知道………
———请学习
工程流体力学
第1章 流体的基本概念和物理性质
目 录
第2章 流体静力学 第3章 流体动力学
第1章 流体的基本概念和物理性质
§1.1 流体力学发展史及应用 §1.2 流体的基本特征及连续介质假设 §1.3 流体的主要物理性质
三、连续介质假设
例外情况
解析函数不适用 超声速气流中出现激波 在空气非常稀薄的高空中 运动的飞行器
分子的平均自由行程和飞
行器的特征尺寸相比拟
§1.3 流体的主要物理性质
一. 流体的惯性 流体的密度 均质流体 物体保持其原有运动状态的一种性质。质量越大，惯性越大。 表征流体的质量在空间的密集程度，单位为 kg/m3 。
硅酸盐工业热工基础知识课后复习标准答案

硅酸盐工业热工基础知识课后复习标准答案

硅酸盐工业热工基础作业答案2-1解:胸墙属于稳定无内热源的单层无限大平壁单值条件tw1=1300C tw2=300Cδ=450mm F=10 m2胸墙的平均温度Tav＝（Tw1＋TW2）/2=（1300+300）/2=800C 根据平均温度算出导热系数的平均值λav＝0.92＋0.7x0.001 x800＝1。

48w/m.cQ=λF(Tw1-Tw2)/δ=1.48X10X（1300－300）/0.48=3.29X104W2－2解：窑墙属于稳定无内热源的多层平行无限大平壁由Q=t∆/R或q=t∆/Rt知，若要使通过胸墙的热量相同，要使单位导热面上的热阻相同才行单值条件δ1＝40mm δ2=250mm λ1=0.13W/m.C λ2=0.39W/m.硅藻土与红砖共存时，单位导热面热阻(三层)Rt1=δ1/λ1+δ2/λ2+ δ3/λ3=0.04/0.13+0.25/0.39+δ3/λ3若仅有红砖（两层）Rt2=δ/λ2+δ3/λ3=δ/0.39+δ3/λ3Rt1=Rt2⇒0.04/0.13+0.25/0.39=δ/0.39得δ＝370mm,即仅有红砖时厚度应为370mm。

2—3 解：窑顶属于稳定无内热源的单层圆筒壁单值条件δ＝230mm R1=0.85m Tw1=700C Tw2=100C粘土砖的平均导热系数λav=0.835X0.58X103-X(Tw1+Tw2)/2=0.835+0.58X400X103-=1.067W/m.CR2=R1+δ=1.08m当L=1时,Q=2λ∏( Tw1-Tw2)/4Ln21d d=2X3.14X1.067X1X600/4Ln1.080.85=4200W/m因为R2/R1≤2,可近似把圆筒壁当作平壁处理，厚度δ＝R2－R1，导热面积可以根据平均半径Rav＝（R1＋R2）/2求出。

做法与2－1同。

2－4解：本题属于稳定无内热源的多层圆筒壁单值条件λ1＝50W/m。

C λ2＝0.1 W/m。

热工基础 第一章 基本概念

热工基础 第一章 基本概念


������������ = ������������ − ������ ������������ ������ = ������������ − ������������
pg pb p>pb p pv p pb
p=0
p<pb

温度
表示物体冷热程度的物理量。相互接触的物体，当 他们的温度相同时，则表示他们处于热平衡

压力也就是在物理学中的压强(点击)，按照分子 动力学的观点，气体压力是大量分子与容器避免 之间碰撞产生的宏观现象
������ ������ = [������/������2 ] ������
可以用绝对压力、表压力和真空度三种形式表示。
(1) 绝对压力 p
工质的真实压力，为状态参数。
(2) 表压力 pg
������������ = ������������������ ������ (m kg) ������������ ������ = ������������ (1 kmol)
������������ = ������������������ (n kmol)
1.2 状态参数 1.3 平衡状态 1.4 准静态过程及可逆过程 1.5 功和热量
系统中各处压力、温度均匀一致的状态，称为平衡状态。
当系统处于平衡状态的时候，系统中所有的状态参数都有
确定的数值，并且是一个定值。只有处于平衡状态的系统，
它的所有状态参数才会有确定的数值。

如果没有外界影响，平衡状态不会发生破坏，状
有 系 统
限 外 界
孤立系统
合理选择系统是进 行热力系统正确分 析求解的前提
一方面将一个对象抽象 成什么系统
第二方面，系统的边界 在哪
《热工基础》第一章

《热工基础》第一章

第一篇 工程热力学
1
第一章 基本概念
本章重点介绍工程热力学中常用的基本 概念，了解和掌握这些基本概念是学习工程 热力学的基础。
1-1 热机、工质、热源与热力系统
热机：
能将热能转换为机械能的机器。如蒸汽 机、蒸汽轮机、燃气轮机、内燃机和喷气发 动机等。
2
3
工质：
实现热能和机械能之间转换的媒介物质。
例如：在活塞式热力机械中，活塞运动的 速度一般在10m/s以内，但气体的内部压力 波的传播速度等于声速，通常每秒数百米， 活塞运动的速度很慢，这类情况就可按准平 衡过程处理。
38
不平衡过程 ：过程中并非每一点都
非常接近于平衡状态
平衡状态1
平衡状态2
39
思考： 准平衡过程和不平衡过程哪个常见？ • 准平衡过程：一般均可视作 • 不平衡过程：会特别说明
36
在系统内外的不平衡势（如压力差、温
度差等）较小、过程进行较慢、弛豫时间非
常短的情况下，可以将实际过程近似地看作
准平衡过程。
非平衡态→近平衡态 时间
在状态参数坐标图上，准平衡过程可以近 似地用连续的实线表示。
p
1
2
v 37
在系统内外的不平衡势（如压力差、温度 差）不是很大的情况下，弛豫时间非常短， 可以将实际过程近似地看做准平衡过程。
（3）可逆过程
如果系统完成了某 一过程之后可以沿原路 逆行回复到原来的状态， 并且不给外界留下任何 变化，这样的过程为可 逆过程。
实际过程都是不可逆过程，如传热、混合、 扩散、渗透、溶解、燃烧、电加热等 。
可逆过程是一个理想过程。可逆过程的
条件：准平衡过程＋无耗散效应。
不可逆过程无法恢复到初始状态？ 错！
《硅酸盐工业热工基础》教学大纲

《硅酸盐工业热工基础》教学大纲

《硅酸盐工业热工基础》教学大纲二、课程目的和任务硅酸盐工业热工基础课程是一门理论性较强的专业学科基础课，通过热工基础的学习，要求学生掌握燃料与燃烧（其中包括固体燃料、气体燃料、液体燃料的燃烧计算及燃烧设备）、气体流动（主要是气体流动的基本原理及排烟系统的设计计算）和传热（其中包括三种基本的传热方式、换热器的设计计算等）及干燥等方面的基本概念、基本理论和计算，为分析窑炉设备的热工性能、为设计窑炉和研究新型窑炉打下理论基础。

三、本课程与其它课程的关系本课程是在高等数学、物理、物理化学、工程研究基础等课程的基础上，综合运用先修课程的基础知识，分析和解决硅酸盐工业生产中各种操作问题的工程学科，是基础课程向专业课程、理论到工程过渡的桥梁课程之一，并与水泥工艺学、水泥厂工艺设计概论、陶瓷工艺学、陶瓷厂工艺设计概论等课程共同构成一个完整的硅酸盐过程的知识体系，为粉体工程、水泥工业热工设备等课程的学习奠定坚实的基础。

四、教学内容、重点、教学进度、学时分配（一）绪论（1学时）了解本课程的性质、任务和内容，了解无机非金属材料工程学科的发展。

（二）气体力学及其在窑炉中的应用（9学时）1、主要内容气体力学基础；窑炉系统内的气体流动；烟囱。

2、重点窑炉系统内的气体流动规律和烟囱的设计计算。

3、教学要求了解窑炉系统的气体流动特点；理解气体流动的基本规律、气体流动和窑炉的操作和设计的关系；掌握窑炉系统内的气体流动规律和烟囱的设计。

（三）燃料与燃烧（10学时）1、主要内容燃料的分类和组成；燃料的热工性质及选用原则；燃烧计算；燃烧过程的基本理论；燃料的燃烧过程及燃烧设备。

2、重点燃烧计算及固体、气体燃料的燃烧过程。

3、教学要求了解各类燃料的热工特性；理解燃烧过程及燃烧设备的特点，合理地选用燃料燃烧设备及组织燃烧过程，达到高产、优质、低消耗的生产效果；掌握燃料燃烧计算的方法。

（四）传热（30学时）1、主要内容传导传热；对流换热；辐射换热；综合传热；不稳定导热。

热工基础 1 第一章 基本概念

热工基础 1 第一章 基本概念


平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
平衡：时间上 均匀：空间上
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
1-2 平衡状态和状态参数
2、基本状态参数 热力学中常用的状态参数有压力、温度、比体 积、比热力学能、比焓、比熵等，其中可以直接测 量的状态参数如压力、温度、比体积，称为基本状 态参数。 （1）压力 单位面积上所受到的垂直作用力（即压强）
ds 0 ， q 0 ， 系统吸热； ds 0 ， q 0 ， 系统放热。 ds 0 ， q 0 ，系统绝热，定熵过程。
比体积和密度二者相关，通常以比体积作为状态参数 。
Fundamentals of thermal engineering
热 工 基 础
1-3 状态方程与状态参数坐标图 1 状态公理 对于和外界只有热量和体积变化功（膨胀功或 压缩功）的简单可压缩系统，只需两个独立的参数 （如p、v；p、T 或v、T）便可确定它的平衡状态。
温度相等
热平衡
Fundamentals of thermal engineering
热
工基Βιβλιοθήκη 础1-2 平衡状态和状态参数
② 热力学温标（绝对温标） 英国物理学家开尔文（Kelvin)在热力学第二定 律基础上建立，也称开尔文温标。用符号 T 表示， 单位为 K（开）。
热力学温标取水的三相点为基准点，并定义其 温度为273.16 K。温差1K相当于水的三相点温度的 1/273.16.。
规定：系统对外界作功“＋”，外界对系统作功“－”
膨胀：dv > 0 , w > 0
Fundamentals of thermal engineering
硅酸盐热工基础第二章PPT讲解

硅酸盐热工基础第二章PPT讲解


等温段中， const(该段气体平均温度下的密度)
Z1g

p1

1 2
w12

Z 2 g

p2

1 2
w22
39
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；
则，浮力：F = V·流体·g 重力：P = V·物体·g
F(浮力) • P(重力)
30
讨论：
重力：P = V·物体·g 浮力：F = V·流体·g
(1) 假设1m3流体（液体）在空气中
则：P=9810N（ H2O 1000kg / m3） F=11.77N（ a 1.2kg / m3 ）

1 2
w12

Z 2 g

p2

1 2
w22

hL(1,2)
hL(1,2) ——表示气体从1-1截面流至2-2截面
的总能量损失
41
（3）适用于两流体的伯努利方程
管内热气体由1-1至2-2的伯氏方程：
Z1g

p1Biblioteka 1 2w12

Z 2 g

p2

1 2
w22

hL(1,2)
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）
硅酸盐工业热工基础
第一章 气体力学在窑炉中的应用
§1-1 气体力学基础 §1-2 窑炉系统内的气体流动 §1-3 烟囱和喷射器
2
§1-1 气体力学基础
硅酸盐热工基础

硅酸盐热工基础

区域：
烧 过
①挥发分析出区
程 ②空气不足未燃
及 焦炭区
设 ③焦炭燃烧区
备 ④非燃烧区
第二十五页，共49页。
加
固 体
燃
目前，我国的大气环境，具有普遍影响的
污染主要是燃料的燃烧。
料
影响较大的污染物有：飘尘、二氧化硫、氮 氧
燃 化物、一氧化碳等。
烧
过
各种污染物的浓度超过大气质量标准，就
程 会导致对环境污染，损害人体健康，造成对自
这些小颗粒都形成了较大的液滴。
第十八页，共49页。
加
固 (4)水煤浆雾滴中有多个煤粉颗粒，在水分加热蒸
体 燃
料
燃 烧
发和挥发分析出过程中会产生二次破碎分离和 结团 现象，由于这种结团引起焦炭颗粒明显大 于一般煤 粉焦炭粒子而难于燃烧。
(5)水煤浆雾炬本身具有很高的动量，这对燃烧室 流场
过
组织产生影响。
料
煤与水的混合物 CWF－水煤燃料 CWS－水
燃
煤浆
烧
过
（4）煤－甲醇－水混合物
程 （5）油－石油焦浆
及 （6）水－石油焦浆 设
备
第二页，共49页。
加
固 体
水煤浆是近十几年发展起来的一种新型燃料，它 由 煤粉、水和少量化学添加剂组成。水煤浆的用 途可以
燃 代油：
料
燃 （1）用于工业蒸汽锅炉
烧 （2）用于电站锅炉
设 SO2还会对动植物造成损害，对金属、建材造成 腐
备 蚀作用。
第二十七页，共49页。
防治二氧化硫污染的措施：
加
固 体
✓提高窑炉热效率，降低燃料消耗
燃 ✓高烟囱排放，降低污染源区的污染物浓度
4.2 硅酸盐工业热工基础-传导传热

4.2 硅酸盐工业热工基础-传导传热


t q
q 1
t t t t t1 t2 2 2 3 3 3 4 s1 s2 s3
t1
t2
1
0
t3
3
将上式变形，有
t1 t2 q t 2 t3 q
t3 t4 q
1
s1
2
t4
x
t4
2
3
q t1 t4 s1 s2 s3
s2
s1
t1
q dt dx
含义：物体温度梯度为 1℃/m 时，单位时间、单位面积上的导热量

K) ℃) — 热导率 W/(m· 或 W/(m·
物质的热导率由实验测定，其中，金属热导率 > 合金 > 非金属材料、液体 > 气体
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热工基础—4 传热过程
4.2.2.1 固体的热导率 (1) 金属 λ= 2.3～427 w/m.℃，纯银最大，纯铜、铝次之 特点：t↑, λ↓ λ纯金属 >λ合金
s s ，3 t1 q 1 2 t 1 1 2
s1
将计算出得温度与假设的温度比较，如果误差超过假定温度的 5%，则需要从新计算。
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热工基础—4 传热过程
例题：4-2 设有一窑墙，用黏土砖和红砖两种材料砌成，厚度均为200mm，内壁温度为1200℃ ，外壁温度为100℃，红砖的使用温度为800℃，试求通过每平方米窑墙的热损失及在此 条件下红砖能否使用？ 已知：红砖热导率 t 0.465 0.44 103 t
s1 / 1
s2
t3
s2 / 2
s3
s3 / 3
硅酸盐工业热工基础-流体力学基础

硅酸盐工业热工基础-流体力学基础

1.3流体动力学基础一、教学要求【掌握内容】（1）流量、流速的概念及流量、流速与温度和压力的关系（2）稳定流动与非稳定流动的概念（3）均匀流与非均匀流的概念（4）流动状态流态及判断（5）流态及判断（6）流体能量的种类（7）连续性方程的含义及应用（8）伯努力方程的含义及应用【理解内容】（1）管道截面上的速度分布（2）流体能量间的相互转化【了解内容】（1）伯努力方程的工程应用实例①流体流量的测定—文丘里流量计②流体流速的测定—皮托管（2）动量方程二、教学重点与难点【教学重点】（1）流体动力学的一些基本概念（2）流体流动的连续性方程（3）流体的伯努力方程【教学难点】（1）伯努力方程（2）伯努利方程在工程上的应用（3）动量方程三、教学方法讲解基本概念，分解难点，掌握好理论深度，以实用和够用为原则，强调基础理论的应用，教学中应讲、练结合，并借助于一些实验加深对基础理论的掌握。

四、教学时数【建议学时】6～8学时五、教学内容1.3.1基本概念1.3.1.1流量与流速1、流量：单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。

①体积流量：单位时间内流过管道任一截面的流体体积，用“”表示，单位为m3/s②质量流量：单位时间内流过管道任一截面的流体质量，用“”表示，单位为kg/s2、流速：单位时间内流体的质点沿流管流过的距离称为流速，用“u”表示，单位是m/s。

3、流量和真实流速u之间的关系及平均流速的关系流体在截面为dF流管的体积流量和质量流量分别为：截面积为F的管道的流量应为：理想流体没有内摩擦力，在管道截面上各点速度都相同；但实际流体有一定的粘性力，在管道中流动时，截面上各点的速度都不相同，在工程上使用u很不方便。

平均流速：单位面积上的体积流量。

用w表示。

即：4、质量流量与体积流量和平均流速间的关系（m3/s）5、流速、流量与温度和压强的关系（1）液体：膨胀性、压缩性很小，V，W与P、T无关。

（2）气体：膨胀性、压缩性很大，V，W与P、T有关。

1-2 窑炉系统内的气体流动


20
V F
2 gz 0( a )

有一矩形炉门，宽B=0.5m，高H=0.5m，窑内气体温度 tg=1600℃，密度ρg0=1.315kg/Nm3；外界空气温度ta=20 ℃， 密度ρa0=1.293kg/Nm3；零压面在炉门下缘以下，距炉门中心 0.75m，流量系数0.6。求炉门开启时气体溢出量。 解： （1）先求出实际温度下气体密度
25
hs1, a hg1, a hK1, a hs 2, a hg 2, a hK 2, a hl , a
以截面Ⅰ为基准面，
hg1, a 0
a为等截面通道，
Ⅰ
Ⅰ
w1, a w2, a
上式可简化为： Ⅱ
hk1, a hk 2, a
Ⅱ
hs1, a hs 2, a hg 2, a hl , a
g0
T0 273 1.315 0.192kg / m3 T 273 1600 T0 273 1.293 1.205kg / m3 Ta 273 20
2 9.81 0.75 1.205 0.192 0.6 0.5 0.5 1.32(m3 / s ) 0.192
24
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
（2）分散垂直气流法则
气体自上而下流经a、b通道时， Ⅰ a、b通道内的温度是否均匀分 布？
设a、b为等截面通道，以下通 过热气体自上而下通过Ⅰ、Ⅱ Ⅱ 两截面的伯努利方程加以讨论： 对于a通道： Ⅰ
Ⅱ
hs1, a hg1, a hK1, a hs 2, a hg 2, a hK 2, a hl , a
w1, a w2, a
hk1, a hk 2, a

硅酸盐工业热工基础第一章分析

V z B 2 g( a )


z2
z1
z dz
3 2 2 3 2 1
1 2
2 g( a ) 2 B (z z ) 3
炉门平均流量系数
B 炉门宽度， m z1 , z2 炉门上下缘距离零压面 的距离，m
热工过程与设备
3 2 2 3 2 1
窑底与z间的伯努利方程为： Fra bibliotekgz hsz
dV z Bdz z B 2 zg ( a )

2 g( a )

z dz
1 2
热工过程与设备
第一章
z2
V z B
z1
2 g( a )

z dz
1 2
把 z 近似看作常数 ，作为平均流量系数，则
P1 gz1 ( a ) 9.8 0.5 (0.2831 1.2047) 4.5124 Pa
P1 4.5124 Pa 0,上孔出气
出气量：V F 2( P1 Pa )

2 4.5124 0.62 0.2 4 0.2831
P1 Pa gH ( a )
则：V F 2 gH ( a )

H 小孔距离窑底的高度
热工过程与设备
第一章
***缩流系数 、速度系数 、流量系数 均应由实 验确定。也可查表（P13）。

***薄壁和厚壁的概念：
气流最小截面在孔口外——薄壁 气流最小截面在孔口内——厚壁
则：w 2
2( P 1P a)

热工过程与设备
第一章
通过小孔F截面流出的气体体积流 量V为：

《热工基础》第一章 基本概念(北京科技大学)

➢ 当两个温度不同的物体相互接触时，它们之间 将发生热量传递，如果没有其它物体影响，这 两个物体的温度将逐渐趋于一致，最终将达到 热平衡（即温度相等），所以温度是热平衡的 判据
AB
北京科技大学能源与环境工程学院
14
热力学第零定律 (Zeroth law of thermodynamics)
热力学第零定律 (R.W. Fouler in 1939) ：
12
压力测量
U形管压力表
弹簧管式压力表
绝对压力p、大气压力pb、表压力pe、真空度pv
p pb pe
p pb pv
➢ 压力计的外界压力不一定是大气压 力（习题1-3）
➢ 只有绝对压力p才是状态参数
北京科技大学能源与环境工程学院
13
基本状态参数——温度
➢ 温度的物理意义：温度是反映物体冷热程度的 物理量，温度的高低反映物体内部微观粒子热 运动的强弱
恢复平衡所需时间
（外部作用时间） >>
（驰豫时间）
一般的工程过程都可认为是准平衡过程， 但具体工程问题需具体分析。
北京科技大学能源与环境工程学院
24
1-4 准平衡过程和可逆过程
例如： 如果系统完成了某一过程 之后可以沿原路逆行恢复 到原来的状态，并且不给 外界留下任何变化，这样 的过程为可逆过程。
北京科技大学能源与环境工程学院
33
讨论与思考1
平衡状态与稳定状态的区别？ -稳定(steady)是参数不随时间变化 -平衡(Equilibrium)是不存在不平衡势差
T1
T2
稳定但存在不平衡势差
稳定不一定平衡 平衡一定稳定
北京科技大学能源与环境工程学院
34
讨论与思考2

1-1气体动力学基本方程


26
gz1 e1 p1 w12 gz2 e2 p2 w22
1 2
2 2
b）窑炉中气体流动 对整个系统而言，压强变化不大，但温度变化大，气
体密度变化也较大，属于可压缩气体流动； 若分段处理，每段气体温度变化不太大，在平均温度
下的密度ρ近似为常数（不可压缩气体）， ρ1=ρ2=ρ，且气 体在平均温度下作等温流动，e1=e2 。
上式两边同除以 m1 可得单位质量气体的能量方程——
热力学第一定律：
q (gz2 e2 p2 w22 ) (gz1 e1 p1 w12 ) lm
2 2
1 2
对于稳定态一元流动，传入系统的热量等于系统
能量的增量与系统对外作的功率之和。
24
q (gz2 e2 p2 w22 ) (gz1 e1 p1 w12 ) lm
2
20
热 当系统内有加热装置、冷却装置或内热源（如化学反应） 时，流体通过时便会吸热或放热。单位时间吸收或放出的 热量（称为传热速率）用Q表示，J/s，这里规定，吸热时 Q为正，放热时Q为负。 功 单位时间内外界与系统内流体所交换的功，称为功率 （Lm）。
21
（2）稳定态一元流（管流）能量方程
8
所谓控制体是指流体流动空间中任一固定不变的体积， 流体可以自由地流经它，控制体的边界面称为 控制面，控制面是封闭的表面。 控制体通过控制面与外界可以进行质量、能量交换， 还可以受到控制体以外的物质施加的力。如果选取控 制体来研究流体流动过程，就是将着眼点放在某一固 定空间，从而可以了解流体流经空间每一点时的流体 力学性质，进而掌握整个流体的运动状况。 这种研究方法是由欧拉提出的，称为欧拉法。

硅酸盐工业热工基础第一章


厚壁条件 3： .d5e
壁厚， m
de 孔口当量直径 m ，
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8
热工过程与设备
P Pa
第一章
P
Pa
通过小 F截 孔面 吸入 的气体体V 积 为流 ：量
V F 2(Pa P1) a
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a 外 界 空 气 密kg度 / m， 3
9
热工过程与设备
第一章
Question：小孔为其它形状 ？
条件：欲使a、b通道温度均匀，需使 a、 b两端静压差相等，即：
hs1,ahs2,ahs1,bhs2,b
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26
热工过程与设备
所以 a、b通道温度分布均匀的条件是：
第一章
气体自上而下流动时：
h g 2 ,ah L ,a h g 2 ,b h L ,b
气体自下而上流动时：
h g 2 ,a h L ,a h g 2 ,b h L ,b
形状 大小
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10
热工过程与设备
第一章
2、气体通过炉门的流出和吸入
***沿炉门高度上的静压头的变化对气体流出和吸入量
有影响。
dF
B 炉门
H
z0
z2 z1
单位时间内通过微元面积dF的流量，为：
d VzdF 2 (P zP a)zB dz 2 (P zP a)
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11
热工过程与设备43ຫໍສະໝຸດ 热工过程与设备第一章
➢ 可压缩流体流速与断面的关系
不可压缩流体，流速与断面反比。
w1 F2 w 2 F1
可压缩不可压缩气体的对比，
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声音来源于物体振动， 该振动会引起介质压 强和密度的微弱变化， 这种微扰动在介质中 依次传播，就是声音 的传播过程。
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a b
ta tb
hg 2,a hg 2,b hg 2,a hg 2,b
Va Vb
则使：t a , t b
hg 2,a gz2 ( 空 气 a ) hg 2,b gz2 ( 空 气 b )
几何压头为阻力
☺1
①冷气体自下而上流动时：
②冷气体自上而下流动时：
w1 w0 0, P0 0, z0 0, z1 0.5m,
T0 273 0 1.32 0.2831kg / m 3 T 273 1000 T0 273 a a 0 1.29 1.2047kg / m 3 T 273 20
窑底与z间的伯努利方程为：
hgz hsz
dV z Bdz z B 2 zg ( a )

2 g( a )

z dz
1 2
热工过程与设备
第一章
z2
V z B
z1
2 g( a )

z dz
1 2
把 z 近似看作常数 ，作为平均流量系数，则
二、可压缩气体的流动
伯努利方程的适用气体： 不可压缩气体、稳态、等温（e=0）流动
可压缩气体怎样做能量的换算？
可压缩气体能量方程：
w w h1 h2 2 2
2 1
2 2
可压缩气体是否有伯努利方程？
热工过程与设备
第一章
可压缩气体绝热流动的伯努利方程：
w C 1 2
第一章
3 1 H 2 3 z z H z0 [ 1 ( ) ] H z0 2 96 z0 2
2 g( a ) 3 2 V B H z0 3 2
F
2 gz0 ( a )

F 炉门面积， m
2
z0 炉门中心线至零压面距 离，m
热工过程与设备
第一章
2、气体通过炉门的流出和吸入
***沿炉门高度上的静压头的变化对气体流出和吸入量 有影响。 dF
炉门
H
B
z2
z0
z1
单位时间内通过微元面积dF的流量，为：
dV z dF
2( Pz Pa )

z B dz
2( Pz Pa )

热工过程与设备
第一章

—绝热指数 单原子气体， 1.66 双原子气体（包括空气）， 1.4 多原子气体（包括过热蒸汽） 1.33
2 2 w1 w2 P1 1 P2 2 1 2 1 2

P
2

热工过程与设备
第一章
1 P U CV T 1
w U C 2
P1 Pa gH ( a )
则：V F 2 gH ( a )

H 小孔距离窑底的高度
热工过程与设备
第一章
***缩流系数 、速度系数 、流量系数 均应由实 验确定。也可查表。

***薄壁和厚壁的概念：
气流最小截面在孔口外——薄壁 气流最小截面在孔口内——厚壁
T0 273 0 1.32 0.2831kg / m 3 T 273 1000 T0 273 3 a a 0 1.29 1.2047kg / m T 273 20
P2 gz 2 ( a ) 9.8 0.5 (1.2047 0.2831) 4.5124 Pa 0 下孔进气
F
Ⅰ
Ⅱ
热工过程与设备
第一章
流出气体在惯性 作用下，气流会 发生收缩，在Ⅱ 截面处形成最小 的截面F2，这种 现象称为缩流。
z
w1 ρ1 P1 F1
w 2 , ρ2 P2,F2
Ⅰ
Ⅱ
F
Ⅰ
Ⅱ
缩流系数： 小孔的位置 F2 F （气流最小截面与小孔截面的比值）
热工过程与设备
第一章
Question： 如何衡量流出气体 的快慢、多少 ？
厚壁条件： 3.5d e
壁厚，m
d e 孔口当量直径， m
热工过程与设备
第一章
P Pa
P
Pa
通过小孔F截面吸入的气体体积流量 V为：
V F
2( Pa P1 )
a
a 外界空气密度， kg / m 3
热工过程与设备
第一章
Question：小孔为其它形状 ？
形状 大小
【总结】
w2 2( P 1P a)
小孔
V F

2( P1 Pa )

炉门
2g (a ) 2 V B (z z ) 3
3 2 2 3 2 1
F
2 gz0 ( a )

☺
【试一试】
其它形状炉门情形如何计算?
例题
1-10 某窑炉的窑墙厚 为240mm,上下各有一 个直径为200mm 的小 1 孔，两孔间垂直距离为 1m,窑内气体温度为 1000℃，烟气标态密 度为1.32kg/m3，外界 0 空气温度为20 ℃ ，窑 内零压面在两个小孔垂 直距离的中间。求通过 2 上下两个小孔的漏气量。
z
w1 ρ1 P1 F1
w 2 , ρ2 P2,F2
Ⅰ
F
Ⅰ
Ⅰ截面（窑内）： w1、P1、1 Ⅱ截面（气流最小截面）： w 、P 、
2 2 2
气流通过小孔的压差极小： 1 2
热工过程与设备
第一章
列Ⅰ-Ⅱ间伯努利方程，计算：
1 w2 1
2( P1 Pa )

1 令： 为速度系数 ，则 1
2

1.109988m /s 396m / h
3 3
再以0 - 0位基准面，列 0 2间二气体伯努利方程：
2 2 w0 w2 P2 gz2 ( a ) P0 gz0 ( a ) 2 2 w0 w2 0 , P0 0 , z0 0 , z2 0.5 m ,
V z B 2 g( a )


z2
z1
z dz
3 2 2 3 2 1
1 2
2 g( a ) 2 B (z z ) 3
炉门平均流量系数
B 炉门宽度， m z1 , z2 炉门上下缘距离零压面 的距离，m
热工过程与设备
3 2 2 3 2 1
P1 gz1 ( a ) 9.8 0.5 (0.2831 1.2047) 4.5124 Pa
P1 4.5124 Pa 0,上孔出气
出气量：V F 2( P1 Pa )

2 4.5124 0.62 0.2 4 0.2831
热工过程与设备
第一章
窑炉系统内的气体流动 不可压缩气体的流动
可压缩气体的流动
熟练 掌握 了解பைடு நூலகம்了解及 自学
气体射流
热工过程与设备
第一章
一、不可压缩气体的流动 （一）气体从窑炉内的流出和吸入
1、气体通过小孔的流出和吸入
w1 ρ1 P1 F1
Ⅰ
w 2, ρ2 P2,F2
Ⅱ
静压头转变为动压头， 使压强降低、速度增加． z
垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下 流动，冷气体自下而上流动。
问题：设a、b通道等截 面，则 为保证 a、b通 道内温度均匀，应具 备什么条件？
Ⅰ
Ⅰ
a
Ⅱ
b
Ⅱ
热工过程与设备
第一章
气流自上而下流动时，则：
a通道伯努利方程:
hg1,a hs1,a hk 1,a hg 2,a hs 2,a hk 2,a hL,a
进气量：V F
2( Pa P2 )
a
2 4.5124 0.62 0.2 4 1.2047
2

0.053318m 3 /s 192m 3 / h
解法2
上部断面的几何压头小于下部断面的几何压 头，而静压头则相反。
即：上部断面的静压头 大于 下部断面的静压头。 本题：零压头在两小孔中间，所以上孔肯定为正压 （气体溢出），下孔为负压（吸入空气）。所以有：
课下自学 内容
垂直分散气流法则：垂直通道中，使热气体自上而下流动，
冷气体自下而上流动。
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
Ⅰ Ⅱ
热工过程与设备
分散垂直气流法则适用条件
几何压头起主要作用的通道
热工过程与设备
第一章
1.2 窑炉系统内的气体流动 不可压缩气体的流动
可压缩气体的流动
熟练 掌握 了解 了解 自学
气体射流
hg1,a 0 Ⅰ截面为基准面，则：
a通道等截面，则：hk 1,a hk 2,a
hs1,a hs 2,a hg 2,a hL,a 同理b通道：hs1,b hs 2,b hg 2,b hL,b
热工过程与设备
第一章
气流自下而上流动时，则：
Ⅰ
Ⅰ
hs1,a hs 2,a hg 2,a hL,a hs1,b hs 2,b hg 2,b hL,b
则：w 2
2( P 1P a)

热工过程与设备
第一章
通过小孔F截面流出的气体体积流 量V为：
V F2 w 2 F2 F
2( P1 Pa )

2( P1 Pa )

令： 为流量系数
则：V F 2( P1 Pa )

热工过程与设备