气体力学计算

气体力学计算
冶金炉内气体流动的显著特征：
第一：炉内气体为热气体（即炉内气体的温度高于周围大气的温度）；
第二：炉内热气体总是与大气相通的，而且炉内热气体的密度小于周围大气的密度，所以炉内气体的流动状况受大气的影响。
5.1 热气体相对于大气的特殊规律
一、热气体的压头
单位体积流体的能为：
位能：ρgz
静压能：P
动能：
对于炉内热气体在流动过程中，虽然同样具有这三种能量，但由于周围大气对其流动的影响，这三种能量只能用相对值来表示，即
单位（体积）热气体所具有的位能与外界同一平面上单位（体积）大气所具有的位能之差称为位压头。同理也有动压头和静压头之称呼。但是在通常情况下，大气的流速比流体的流速小得多，所以热气体的动压头也就是热气体本身所具有的动能。
1.热气体的位压头——几何压头
(1)阿基米德浮力原理
(2)有效重力
设流体的密度为 ,体积V，大气的密度为 ，则流体在大气中所受到的浮力为
流体本身的重力为
有效重力为
单位体积流体的有效重力为
当 时有效重力为正,方向竖直向下,流体在大气中下沉;反之则流体在大气中上浮,由于热气体温度高于大气温度,所以, 故热气体有效重力为负,方向向上,热气体在大气中有自动上浮的趋势。
(3)热气体的位压头及其分布规律
如图5-1-2所示


取0—0`为基准面，则热气体的位压头为
-
当基准面取在上方，高度向下量度时为正，故
（此时H为正值）
分布规律：线性，上小下大
注意：由于热气体有自动上升趋势，所以热气体由下向上流动时，位压头是流动的动力。反之，热气体自上向下流动时，位压头应作阻力来对待。
2.热气体静压头及其分布规律
(1)定义：热气体的静压头与同一水平面大气静压头压力之差，即相对压力，常称做表压力，用hs表示。
(2)分布规律
A .静止液体表压力分布规律：上小下大
B.热气体表压力分布规律：上大下小
注意：
当在某一平面上，热气体的表压力为零时，称此面为零压面。在零压面以上，热气体表压力为正，若有缝隙，则热气体将外逸。反之，在零压面以下，热气体表压力为负，冷空气将会被吸入。冶金炉的操作过程中常将零压面控制在炉底上，使炉膛呈正压区，而烟道则为负压区。
3.热气体的动压头
由定义知，热气体的动压头
二、热气体平衡方程式

三、热气体管流伯努利方程式（双流伯努利方程式）
1.表达式：实际流体管流伯努利方程式为

热气体管流伯努利方程式为

即
四、热气体管流时的阻力损失计算
表达式
计算特点说明：
1.摩擦阻力损失hf计算

的选择按圆管内流磨阻力计算式计算，工程上一般按经验式。
L为计算段长度，D为当量直径，Wo 取经济流速，t取时间段的平均值。
2.局部阻力损失的计算 hr
局部阻力系数仍按附表6查出， wo 仍取经济流速，温度则取对应与w 的温度。
3.热气体自上而下流动时，位压头作为阻力损失考虑，反之，热气体自下而上流动时，位压头应从阻力损失中减去。
4.两截面上的压头损失等于两截面上表压力之差。

5.2 排烟系统及烟囱
排烟系统及烟囱的重要性
一、烟囱
1.烟囱的工作原理
烟囱能将烟气从炉尾经烟道烟囱排入大气，是因烟囱底部具有抽力，亦称吸力。烟囱产生抽力的原因是热气体相对于大气的特殊规律造成的。
如图5-2-1，在烟囱内等温情况下





差值△ ，所以气体能自动地由炉膛入口并排入大气，称自动通风。实际上△P即为烟囱底部截面对烟囱顶部截面所产生的位压头，所以，烟囱底部的位压头是烟囱排烟的动力。
如图5-2-2，以3-3为基准面，在气体静止状态下列出2-2与3-3截面的伯氏方程得公式

由此式可得出，烟囱底部表压力为负值（称为抽力或吸力）该抽力称理论抽力。它是由位压头产生的，而且与烟囱的高度 H、大气的温度ta，烟囱温度tg等因素有关。
若烟气在烟囱内流动，则其实际抽力为

2.烟囱计算
在冶金炉中不论是设计新烟囱，还是对建成的烟囱进行校核，其原理是相同的，现以新设计烟囱为例说明其计算方法。
由烟囱的工作原理可知

但此式不能直接用来计算烟囱的高度H，因为式中很多参数均与H有关。所以只能用试算法，其步骤如下：
(1)烟囱实际抽力hv的计算

(2)烟囱内动压头增量 的计算

(3)烟囱内阻损失hl的计算

(4)空气及烟气密度计算


3.烟囱设计计算中的注意事项
(1)当几个炉子共用一个烟囱时，在计算hv时，应选用 比较大的那炉子的数值。
(2)计算烟囱出口及底部直径所用的烟气流量vo，应用两个炉子烟气流量之和。
(3)考虑到环境保护问题，烟囱的高大至少应高出周围建筑物3米。
(4)布置烟道时，应尽量减少阻力损失。

5.3 供气系统极其有关计算
一、供气管道
1.管道布置基本原则
(1)供气管道一般架空敷设，管道底部距地面的距离不得小于2米。
(2)管道系统中装有换热器时，应设旁道管道，金属换热器后的热风总管上一般要求安装放风阀。煤气管道上应安装放散管及放散阀。煤气总管上除安装调节阀外，还应安装低压快速切断阀。
(3)按有关规程进行气密性试验（试压）。
(4)管道布置应尽量减少阻力损失。
2.管道计算
(1)管径计算
(2)管道的阻力损失计算
二、常用风机简介
按产生压力的大小，风机分为
通风机 压力在0.1 atm以下
鼓风机 压力在0.1~3atm 以内
压缩机 压力超过3atm
高压压缩机 压力超过100atm
1.离心式通风机
(1)类型
低压通风机 压力小于981Pa(100mmH2O)
中压通风机 压力为981~2943 Pa(100~300mm H2O)
高压通风机 压力大于2943Pa(300mm H2O)
(2)结构
2.离心式鼓风机
离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似，只是空气的压缩过程通常是经过几个工作叶轮（或称几级）在离心力的作用下进行的
3.回转式风机
三、离心式通风机特性及选择计算
1.通风机在管道上工作时的总压头
单位体积气体通过风机时所获得的机械能，称为通风机产生的总压头。其作用是：
a) 将气体的压力从吸合空间的po提高到用气空间的pd，即提高到了pd-po
b) 克服气体沿吸气，排气管道所产生的压头损失
c) 使气体由气体由吸气空间的静止状态达到排风机口处 时所具有的动能
2.通风机的风量、功率及效率

3.风机的特性曲线
4.管网特性
5.风机的工作点及工况调节
6.风机的选择及计算
(1)风机的选择注意事项
1)铭牌上标出的全风压、风量、功率是指在最高效率下的h、v及N值。
2)风机性能表说明书、铭牌上所标出的风机性能。都是指风机在实验标准状况（1个标准大气压，20摄氏度，密度为1.293 ）下的数值，工作条件若不同于实验条件，应进行参数换算。
3)风机的传动方式有A 、B、C、D、E、F等6种。
(2)参数换算
i. 实际风量
ii. 实际全风压及轴功率

7.通风机的串联与并联
iii. 当一台风机的风压及风量不能满足需要时，只有同型号的风机才能串、并联使用。风机串联后总风压比二台风机风压之和略低，风量等于一台的风量。风机并联后，风量比两台风机风量之和略低，风量等于一台风机的风压。