第三讲材料加热炉.ppt

分析炉内气体运动状态的工程意义 气体运动与加热过程有关 燃料炉设计的关键就是如何导引炉气运动来保证高效地实现加热 气体运动与炉温均匀性有关 如何引导炉气对流是加热炉温度均匀性的设计难题 活性炉气均匀性与其在炉内的运动有关 炉气均匀性是气氛炉设计的重要指标 气体的运动的动力是其具有一定能量 气体运动是气体能量转化的结果 静止炉气的能量和能量转换 具有压力的炉气可以作功。压力为Pg的 炉气推动面积为A活塞位移dl，则它作功dW，即： 而单位体积炉气所作的功为： 把单位体积炉气具有做功的能量称为炉体的静压能Es ，在数值上，可表示为：Es=Pg 。 从力的角度来看：Pg为炉气具有的静压力，单位为Pa； 从能量的角度来看：Pg则是单位体积炉气具有的静压能Es ，单位为：J/m3 。因此，炉气压力是炉气分子储存能量的一种表现形式。 静止炉气的静压能 静止炉气的能量和能量转换 在重力作用下，质量为M、距某一基准面的高度为z的气体所具有的势能为mgz。对于体积为dV的静止炉气，在距某基准面的高度为z时所具有的势能为： 而单位体积的炉气所具有的势能为： 把单位体积的炉气所具有的势能称为位能。它等于该炉气的密度ρ、重力加速度g以及其距基准面的高度z的乘积。 炉气的位能产生的内因为气体的密度，外因是重力场。 其大小与所处的位置有关，单位： J/m3。 静止炉气的位能 静止炉气的能量和能量转换 图3-2 静止炉气的压力分布 静止炉气的静压能与位能之和为定值，能量在空间内是守恒的。静止炉气的绝对压力随高度的增大而减少，其转化为气体的位。 静止炉气的压力平衡（能量守恒） 在ρ为常数的静止炉气中，压力沿高度呈直线分布。 静止炉气中任一高度处的静压能与位能之和为一常数 斜率为-1/ρg 密度越大，斜率越大 静止炉气的能量和能量转换 在相对零压面以上，炉气的静压头为正，越往上其正值越大，从炉壁开口会向外溢气。 静止炉气的静压头 单位体积炉气与同一水平面上炉外单位体积空气静压能之差。 (a) (b) 图3-3 (a) 静止炉气的压力分布(b) 静止炉气的静压头分布 在零压面以下，炉气的静压头为负，越往下负值越大，从开口会吸入冷空气。 静止炉气的能量和能量转换 静止炉气的位压头沿其高度呈直线分布，由于ρa＞ρg，故越往下位压头越大。 静止炉气的位压头 单位体积炉气与同一水平面上炉外单位体积空气位压能之差。 图3-4 静止炉气的位压头分布 在数值上与单位面积上热炉气气柱在相应高度上冷空气中所受到的上浮力大小相当。 静止炉气的能量和能量转换 静止炉气的总压头 图3-5 静止炉气的压头分布示意 静止炉气在不同高度上，其静压头和位压头之和为一定值，二者可以相互转化，静压头大处，位压头必小，反之亦然，但其总压头不变，即压头守恒。 静止炉气的能量和能量转换 炉膛的溢气与吸气 图3-6炉膛内压力变化及溢气和吸气情形 （a）炉膛密封严密 （b）打开炉门 （c）炉门密封不严 （d）炉膛正压操作 静止炉气的能量和能量转换 炉膛的溢气与吸气 例题3-1：设炉膛内的炉气温度为950℃，炉气在标准状态下的密度为1.3kg/m3, 炉外空气温度为20℃。问当炉底表压力为零时，距炉底2m高处炉顶的表压力为多少? 分析与解答: 当炉气温度为950℃时，炉气的密度为： (Pa) 空气温度在20℃时的密度为: 基准面取在炉顶，则炉底：H=2m，代入式(3-9b)得： (kg/m3) (kg/m3) 静止炉气的能量和能量转换 烟囱的抽气作用 图3-7 烟囱的抽气作用 静止炉气的能量和能量转换 烟囱的抽气作用 例题3-2：设燃料炉膛内的炉气温度为1300℃，炉气在标准状态下的密度为1.3kg/m3, 炉外空气温度为20℃。问烟囱高度为10m时，它的理论抽力为多少? 分析与解答: 当炉气温度为1300℃时，炉气的密度为： 空气温度在20℃时的密度为： 烟囱的理论抽力为： (kg/m3) (kg/m3) (Pa) 运动炉气的能量和能量转换 炉气的动能与动压头 图3-8压头测量示意图 总压PA＝ρ1gh1 静压PB＝ρ1gh2 动压头压Pc＝ρ1gh 应用这种装置，并按层流或紊流考虑vav/vmax的数值便可粗略地测量出管内炉气的平均流速和流量。 动能 动压头 运动炉气的能量和能量转换 炉气的能量损失 伯努力方程的能量和压头表达式 摩擦能量损失 局部能量损失 流动炉气的能量转化 应用 烟囱内炉气的压头分