热工基础第一章 气体力学1.docx
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热工基础第一章 气体力学1.docx
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热工基础第一章气体力学1
《热工过程基础》
引言
一.课程名称
热工:
用热做功、做事。
内燃机:
燃料-燃烧-气体
蒸汽透平(汽轮机):
车、船。
火—加热水—气体。
广义:
动力、机械、能源范畴。
上海交大,西安交大。
(水介质:
工程热力学)
神舟飞船:
火箭-动力-飞船;航天
民用:
燃气灶、锅炉、热水器。
燃气工程。
同济大学。
狭义:
硅酸盐工业中的热工问题:
火—加热制品--产品。
《硅酸盐工业热工基础》
材料:
科学:
组成-结构-性能:
材料科学基础
材料制备方法/工艺:
工艺学
工程:
实验室样品--工业化产品:
过程/设备材料工程基础
设备:
设备设计原理
热工:
过程与设备。
过程(上册)→热工基础
设备(下册)→玻璃工业热工设备
水泥工业热工设备
陶瓷工业热工设备
耐火材料
硅酸盐热工(行业):
华南理工,天大==陶瓷
华理工,浙大===玻璃;
南化,同济===水泥
武汉理工大学:
陶瓷、玻璃、水泥
东华大学/燕山大学/地方建材学院
二.课程地位及作用
专业基础课:
偏重应用基础
专业与基础之间的桥梁作用。
用基础知识解决专业中的问题。
材料物理:
用物理解释材料性能
材料化学:
用化学制备材料
用工程(传热、力学、控制论)指导(设备/产品)开发、生产。
两方面:
1)新工艺、新产业开发
如:
浮法工艺。
Pilkington两兄弟工作
锡-加热/流动/氧化/不同厚度玻璃-拉边机
液晶屏?
光纤?
全氧燃烧?
等离子喷涂/微波烧结/电熔玻璃
2)老设备、工艺改造
热工测定,等级炉(节能、减排)
国内现状:
熔化率、单耗、寿命
模型试验:
物理模型西德SORG公司:
深澄清池
比利时,CNUD;法国,STEIN
数学模型荷兰TNO
捷克 GlassService
设备(窑炉):
心脏
三.课程内容
陶瓷工业:
原料-浆料-成型-干燥-烧成-成品
水泥工业:
原料-粉料-烧成-制粉-成品
玻璃工业:
原料-粉料-熔制-成型-退火-成品
与热有关的过程:
干燥(热的方法除去水分):
传热、传质
退火:
加热,保温,冷却-除去应力:
传热
烧成:
一定温度,产品获得一定强度
熔制:
粉料-液体供成形用
共同点:
热量
热量何来:
1电能-电熔
2燃料燃烧:
燃料种类
燃料燃烧理论
燃烧设备
3其他:
等离子体,微波等
燃烧需氧、燃烧产生烟气:
排烟供气
热-产品:
传热
内容:
气体力学及其应用√
燃料燃烧√
传热学√
干燥与传质
固体燃料-气体燃料:
气化
电熔
作业
实验
四.学习方法与要求
课程特点学习方法
1内容多(多学科) 基本概念、原理、方法
2经验性强(前沿课题) 辩证观点
3实践性强(产业) 理论联系实际(下厂)
(镀膜、纤维、液晶)
要求:
1解决生产中的一些热工问题
2配合生产工艺要求进行一些开发研究
3初步具备独立从事热工工程问题研究的能力
五.参考文献
1孙晋涛孙承绪徐佐璋硅酸盐工业热工过程及设备(上册)中国建筑工业出版社
2陈金方玻璃的电熔化与电助熔华东理工大学出版社
3传热学
4材料工程基础武汉理工大学/同济大学
5热工基础/传输原理
第一章气体力学及其在窑炉中的应用
气体力学是研究气体在力的作用下的平衡与运动规律的一门学科。
严格说来,属流体力学范畴。
与《化工原理》有相似之处,但又不同。
流体:
气体/液体。
《化工原理》:
液体。
气/液差别在什么地方?
第一节气体力学基础
一、气体的物理属性
(一)压缩性和膨胀性
1压缩性
所谓压缩性是指气体在承受外力时,气体体积变化的能力。
V—V1,p
压缩系数:
βP=-(V2-V1)/V1(P2-P1)
一般地,有:
βP=-limV/VP=-dV/Vdp(m2/N)
实验证明:
对液体,βP很小。
水,0-25°C,25atm
βP=1/20500-1/21000atm-1
而对气体,βP很大。
对理想气体:
βP=1/p
当P=1atm,则βP=1
所以,气体的压缩性不能忽略。
但当ΔP变化不大时,ΔV变化也不大,可近似看成不可压缩性气体。
判据:
dp/p>20℅ 可压缩
窑炉中,dp/p=0.02-0.5℅,可看成不可压缩性气体。
喷枪喷出时,dp/p>20℅,可压缩性气体。
2 膨胀性
所谓膨胀性是指气体体积随温度变化的特性,用体积膨胀系数表示,βT。
βT=(V2-V1)/V1(T2-T1)(1/K)
一般地,βT=limV/VT=dV/VdT
对理想气体,βT=1/T
当t=0°C,βT=1/273,亦即,温度变化273°C,体积变化一倍。
窑炉中,温度从20°C-1600°C,因此需考虑膨胀性。
液体,如水,20°C时,βT=1.82*10-4K-1.比气体小一个数量级。
不考虑膨胀性。
3 气体状态方程
《物化》中,理想气体:
PV=nRT
实际气体:
压缩因子:
PV=znRT
范德华方程:
胡英参数法:
窑炉中,温度高,压力变化不大,1atm或几个大气压,可看成理想气体。
因此,能用
PV=nRT
但窑炉中气体量大,n,V=?
,困难,因此,有:
PV=m/MRT→PV/m=R/MT
V/m单位质量的体积,比容v
R/M常数,气体常数,等于气体普适常数与气体分子量之比,仍用R表示
Pv=RT
或
P/ρ=RT
由于气体的压缩性与膨胀性,气体的密度、比容、速度等均与温度、压力有关。
为便于比较,引进标准状态:
0°C,1atm;
速度、流量单位:
Nm/s,Nm3/s
(二)粘性
表示流体流动时,分子之间的相互牵制作用。
常用粘度表示。
=du/dy
μ—动力粘度
ν=μ/ρ—运动粘度
液体、气体均具有粘度。
1)气体分子间距大,粘性小。
2)温度升高,气体粘性升高。
液体粘性降低。
(三)浮力的影响
我们周围充满气体,气体对其中物体产生一定浮力。
浮力有多大呢?
举例:
图示一容器。
周围空气密度ρair=1.2kg/m3
当液体,如水时:
自重:
ρghF=1000*9.8*10*1
=98000N
浮力:
ρaghF=1.2*9.8*10*1
=117.6N
水:
自重>>浮力,在重力作用下,水下流。
当烟气,ρ=0.6kg/m3
自重:
ρghF=0.6*9.8*10*1
=58.8N
浮力:
=1.2*9.8*10*1
=117.6N
烟气:
自重<<浮力,在浮力作用下,烟气上升。
结论:
由于窑内气体的密度与窑外大气的密度比较接近,因此,在研究气体流动时,必须考虑大气对气体浮力的作用。
蓄热室中压力分布
二.气体动力学基本方程
力作用下,运动/平衡规律。
平衡及运动规律实质上是流动参数(w、P、ρ)之间的相互关系。
不同情况下,表现不一。
基本原理:
质量、动量、能量守恒一样,表达式不一样。
衡算
衡算方法:
总体衡算法
微分衡算法
总体衡算法:
系统(对象)与环境(外部)之间的传递,不考虑内部。
如:
收门票统计看电影的人数。
微分衡算法:
系统内部取微元做分析,推至全体。
如:
一排一排数人数得知看电影的人数。
优缺点:
总体法:
简单明了;数学知识不多;有一定精度。
但,不能反映内部情况。
粗糙。
微分法:
洞察内部情况,精确。
但,数学知识多,繁琐。
(一)、质量守恒原理与连续性方程
质量守恒:
物质不灭定律:
可生成可消灭,但总体不变。
对流动:
留在系统中的=系统的增加
没化学反应时:
周边传入=系统增加
在流动中,质量守恒原理称连续性原理,导出的方程叫连续性方程
1.微分衡算法
dτ时间x方向流入:
x处:
ρdydzωxdτ
x+dx处:
-ρdydzω|x+dxdτ
x方向总流入:
[ρωx-ρω|x+dx]dydzdτ
根据导数定义,有:
-
dxdydzdτ
类似地,有:
y方向:
-
dxdydzdτ
z方向:
-
dxdydzdτ
x,y,z方向总流入:
-[
+
+
]dxdydzdτ
系统的增加(τ-τ+dτ):
dxdydzdτ
于是有:
dxdydzdτ=-[
+
+
]dxdydzdτ
整理有:
+[
+
+
]=0
用散度,有:
div(ρ
)+
=0
P4式(1-14)
对稳态流动,有:
=0
div(ρ
)=0
不可压缩流体,有:
div(
)=0
当一维时,
ωx,ωy,ωz是点速度
2总体衡算法:
稳态流动:
进=出
ρ1ω1F1=ρ2ω2F2
一般式:
ρωF=c
ω是截面平均速度
不可压缩流体:
ωF=c
总量一定时,截面越大,速度越小。
河水:
宽的地方,速度小;窄的地方,速度大。
(2009.2.16)//(2010.3.5)
(二)能量守恒原理—伯努利(Bernoulli)方程
一般形式:
物质可以有多种形式的能量,不同形式的能量之间可以相互转化,但总的能量不会减少,也不会增多。
对流动:
当气体从一个地方流到另一个地方时,
初态能量+交换的能量=终态的能量
能量衡算可以用微分法,也可以用总体衡算法;
但交换的能量总是发生在交界面上,所以用总体衡法方便。
1流体流动时的几种能量形式
本身具有的:
动能:
流动速度能量1/2mω2=1/2ρdVω2Nm或J
位能:
流体具有一定高度,高度变化时,克服重力做功。
mgh=ρdVgh
静压能:
流体具有一定压力,压力做功。
pmgh=mgp/ρg=pdV
内能:
流体内部分子相互作用所具有的能量。
表征:
温度变化或相变。
U=mCvT;H
与外界交换的:
热能:
传热,加热或冷却。
外界提供的功:
如,泵,风机。
轴功,He
气体对外界做功:
膨胀功,pdv
浮力能:
流体处在大气中,流体排开一定体积的大气,大气有浮力而做功
对液体,>>a,浮力做功可忽略.
对气体,a,浮力做功不可忽略
2单一流体的能量衡算方程
假设:
i)气体不可压缩,1=2=;
ii)无散热,传热,Q=0;温度不变;无相变
iii)暂不计外界做功.
根据前述;初态能量+交换能量=终态能量,
1/2dv12+dvgZ1+p1dv=1/2dv22+dvgZ2+p2dv
两边同除dv,有:
1/212+gZ1+p1=1/222+Z2+p2
单位体积的流体所具有的能量。
Nm/m3
p6(1-24)式
同除g,有:
12/2g+Z1+p1/g=22/2g+Z2+p2/g
每公斤流体所具有的能量,m或J/kg
工程中常把每公斤流体所具有的能量叫头
因速度而产生的能量叫速度头,或动头。
因位能而产生的能量叫位头。
因压力能而产生的能量叫压头,或静压头。
所以,上述方程又叫压头方程。
其一般形式为:
2/2g+Z+p/g=c
上式说明,流动过程中,没有能量损失时,机械能守恒。
实际上,流动过程中,流体之间有摩擦,通过管壁有能量损失,需作考虑。
假设I-II截面间的能量损失为∑hL1-2或hL1-2,则有:
1/212+gZ1+p1=1/222+gZ2+p2+∑hL1-2
p6(1-25)式
当有轴功时,如风机或泵时(轴功He):
1/212+gZ1+p1+He=1/222+Z2+p2+∑hL1-2
化工原理中公式,Bernoulli方程。
一般流体都遵循的基本方程。
适用条件:
1)不可压缩流体;2)无温差,无相变;3)无浮力(单一流体)。
窑炉中适用否?
窑炉中,1)浮力(气体);2)有温差
设想:
a)对温差,分段处理,温度不大,用上述方程,密度用平均温度下密度;
b)对浮力,浮力使流体向上,重力使流体向下。
分列方程,然后相减。
3冷热气体共存时的能量衡算方程(二流体)
对窑内气体,有:
1/212+gZ1+p1=1/222+gZ2+p2+∑hL1-2
(1)
对窑外空气,有(不流动,速度为0,阻力为0):
agZ1+Pa1=gZ2+Pa2
(2)
(1)-
(2),得:
(-a)gZ1+(p1-pa1)+1/212=(-a)gZ2+(p2-pa2)+1/222+∑hL1-2
P6(1-27)
窑炉气体适用的能量衡算方程(不可压缩,温差小,基准在下)。
分析:
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- 热工基础第一章 气体力学1 基础 第一章 气体 力学