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1、第三讲第三讲 材料加热炉内炉气的运动状态材料加热炉内炉气的运动状态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
2、：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、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、图3-23-2 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/g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)图图3-33-3(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
4、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ag，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。图图3-4 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 图图3-5 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 图图3-63-6炉膛内压力变化及溢气和吸气情形（a
5、）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 例题例题3-13-1：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烟囱的抽气作用 图图3-73-7 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烟囱的抽气作用 例题例题3
6、-23-2：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炉气的动能与动压头 图图3-83-8压头测量示意图总压PA1gh1静压PB1gh2动压头压Pc1gh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炉气的能量损失 伯努力方
7、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布 图图3-123-12 炉气压头沿烟囱高度的变化1 1：静压头静压头 随高度的增加而增加随高度的增加而增加 2 2：静压头静压头 随高度的增加而减少随高度的增加而减少3：动压头：动压头 随高度的增加而增加随高度的增加而增加4：压头损失随高度的增加而增加：压头损失随高度的增加而增加 烟囱内炉气的位压头沿高度连续向动压头和静压头转化，能量损失不断增大，但总能量守恒。应用炉墙上小孔溢气量的计算 图图3-13 3-13 炉墙上小孔溢气示意气流通过小孔时，因截面突然收缩，气流在惯性力的作用下将形成缩流，缩流的最小截面在
8、墙外，该墙称为薄墙，在墙内时，称厚墙。缩流的大小用缩流系数（缩流面积f2与小孔面积f之比）表示，即：(m3/s)(m3/s)应用炉门开启时的溢气 图图3-143-14 炉门溢气示意(m3/s)(m3/s)(m3/s)小缝近似炉门溢气炉门吸气应用实际炉门开启时的溢气 图图3-15 3-15 实际炉门溢气与吸气示意图上溢下吸溢气量吸气量炉底为正压(m3/s)(m3/s)(m3/s)炉内炉气运动的动力和形态分析 图图3-16 3-16 箱式电阻炉内的自然对流图图3-173-17井式渗碳炉气流状态自然对流强制对流受热炉气具有上浮的动力风扇供给炉气运动动能图3-18 燃料炉内炉气的流动a）和压力分布b）炉内炉气运动的动力和形态分析依靠烟囱抽力造成定向流动1、通过调整进入口和排烟的位置可以调节和控制燃料炉内炉气的压力分布；2、燃料炉通常要求炉膛底部炉气的压力等于或稍大于大气压，以防止炉外冷空气侵入和热炉气外溢；3、调整炉底微正压的基本方法除烟囱与鼓风机配合使用外，就是控制烟道闸门的开启程度。闸门开度减小，阻力增大，可提高炉膛内炉气的压力，反之，则降低其压力。图图3-193-19 各种燃料炉内炉气的运动状态1、射流运动的压力分布2、低燃炉 3、直燃炉 4、深井式炉炉内炉气运动的动力和形态分析火焰射流迫使炉气运动提高射流流速成为提高燃料炉热效率的有效途径高速烧嘴高速烧嘴