加热炉第一讲

P h s a
g
gH
1 . 205 0 . 290 9 . 81 2 17 . 95
(Pa)
静止炉气的能量和能量转换
烟囱的抽气作用
P
g1
P g 2 a g gH
'

P g 2 Pa 2 Pa 1 a gH
图3-2 静止炉气的压力分布
静止炉气中任一高度处的静压 能与位能之和为一常数
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。
静止炉气的能量和能量转换
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。
h s E sg E sa Pg Pa a g gH
静止炉气的总压头
h s1 h p1 h s 2 h p 2
P
g1
Pa 1 g a gz 1 P g 2 Pa 2 g a gz
2
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。
g g t 0Tg来自0Tgt
1 .3
273 1300 273
0 . 225
(kg/m3)
空气温度在20℃时的密度为：
a a
t 20
Ta Ta
0
20
1 . 293
273 20 273
1 . 205
(kg/m3)
烟囱的理论抽力为：Pg 1
Pg 2 a g gH 1 . 205 0 . 225 9 . 81 10 96 . 14
g g
t 0
Tg
0 t
1 .3
273 950 273
0 . 290
Tg
(kg/m3)
空气温度在20℃时的密度为:
a a
t 20
Ta Ta
0
20
1 . 293
273 20 273
1 . 205
(kg/m3)
基准面取在炉顶，则炉底：H=2m，代入式(3-9b)得：
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
火焰射流迫使炉气运动
图3-19 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
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
2
2
g gv 2
2

i 1
n

2
2
v
2
Pa 1 a gz 1 Pa 2 a gz
h s 1 h p 1 h d 1 h d 2 h p 2 h d 2 h1 h
伯努力 方程的 能量和 压头表 达式
应用
烟囱内炉气的压头分布
1：静压头 随高度的增加而增加 2：静压头 随高度的增加而减少 3：动压头 随高度的增加而增加 4：压头损失随高度的增加而增加
1
0
g
2 ( a g ) gH
z 2 dz

2 3
BH
'
g
(m3/s)
炉门吸气
图3-14 炉门溢气示意
q vt 2 3
BH
'
2 ( a g ) gH
(m3/s)
a
应用
实际炉门开启时的溢气
上溢下吸
2 ( a g ) gH
2
溢气量
q vt
2 3
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 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： f
2
f
图3-13 炉墙上小孔溢气示意
q v f 2 v 2 f
2 ( a g ) gH
P g 2 Pa 1 g gH
'
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：
静止炉气的能量和能量转换
炉膛的溢气与吸气
（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
图3-6炉膛内压力变化及溢气和吸气情形
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：
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。
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。
(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
静止炉气的能量和能量转换
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。
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
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
活性炉气均 匀性与其在 炉内的运动 有关
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：

Mgz gzdV
而单位体积的炉气所具有的势能为：
E

p

gzdV
dV
gz
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。


图3-8压头测量示意图
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。
运动炉气的能量和能量转换
炉气的能量损失
摩擦能量 损失
hf 1
f
2
tvt
2
L d

1
f
2
0 v 0 (1 t )
2
L d
局部能量 损失
h pa
炉气均匀性是气氛炉设 计的重要指标
静止炉气的能量和能量转换
静止炉气的静压能
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：
dW P g Adl P g dV
而单位体积炉气所作的功为：
dW dV Pg E s
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
自然对流 强制对流
图3-16 箱式电阻炉内的自然对流 受热炉气具有上浮的动力
图3-17井式渗碳炉气流状态 风扇供给炉气运动动能
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。
h p E pg E pa g gz a gz a g gz
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。
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
g
1 f
2 ( a g ) gH
g
(m3/s)
应用
dq
小缝近似
df
'
2 ( a g ) gH
vt
炉门开启时的溢气
B
'
g
1
2 g ( a g )
g
z 2 dz
(m3/s)
炉门溢气
q vt

q vt
dq
'
0
vt

H
B
2 g ( a g ) gH
静止炉气的能量和能量转换
静止炉气的压力平衡（能量守恒）
P gz C
Es E
p
C
在ρ为常数的静止炉气中，压力 沿高度呈直线分布。
斜率为-1/ρg 密度越大，斜率越大
P1 gz 1 P2 gz
2
P1 P2 g ( z 1 z 2 ) P2 gH
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。
图3-12 炉气压头沿烟囱高度的变化
应用
炉墙上小孔溢气量的计算
v2

2 ( P g Pa )