冶冶 金金 炉炉 热热 工工 基基 础础气体力学原理篇 同学们好！现在同学们好！现在我们学习气体力学我们学习气体力学原理原理第一章 气体力学原理 目前大部分冶金炉（除电炉外）热能的目前大部分冶金炉（除电炉外）热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。主要来源是靠燃烧燃料来供给的。 燃燃料料燃燃烧烧需需要要供供入入炉炉内内大大量量空空气气，并并在在炉内产生大量的炉气。炉内产生大量的炉气。 高高温温的的炉炉气气是是传传热热的的介介质质，当当它它将将大大部部分分热热能能传传给给被被加加热热的的物物料料以以后后就就从从炉炉内内排排出出。如如果果排排出出的的炉炉气气温温度度较较高高，还还可可用用废废热热回回收收装装置置再再收收回回部部分分热热能能然然后后再再经经过过排排气装置排入大气。气装置排入大气。因因此此，根根据据炉炉子子的的生生产产要要求求正正确确地地向向炉炉内内供供气气，合合理理地地组组织织炉炉内内气气体体运运动动，根根据据炉炉子子生生产产的的需需要要及及时时地地将将炉炉内内产产生生的的炉炉气排出，是组织好炉子生产的极重要环节。气排出，是组织好炉子生产的极重要环节。 气体在炉内的流动，根据流动产生的原因不同，可分为两气体在炉内的流动，根据流动产生的原因不同，可分为两种：一种叫自由流动，一种叫强制流动。种：一种叫自由流动，一种叫强制流动。 炉内气体的运动，对炉子的产量、产品质量、生产成本、炉内气体的运动，对炉子的产量、产品质量、生产成本、炉内气体的运动，对炉子的产量、产品质量、生产成本、炉内气体的运动，对炉子的产量、产品质量、生产成本、炉子寿命、安全操作等方面都有直接影响。炉子寿命、安全操作等方面都有直接影响。炉子寿命、安全操作等方面都有直接影响。炉子寿命、安全操作等方面都有直接影响。自由流动：由于温度不同所引起各部分气体密度差而产生的。自由流动：由于温度不同所引起各部分气体密度差而产生的。 如室内空气的流动。如室内空气的流动。强制流动：由于外界的机械作用而引起的气体流动。强制流动：由于外界的机械作用而引起的气体流动。 如鼓风机鼓风产生的压力差。如鼓风机鼓风产生的压力差。 引引起起自自由由和和强强制制流流动动的的许许多多原原因因合合在在一一起起，就就决决定定了了炉炉内内气体流动的性质。气体流动的性质。一一切切物物体体都都是是由由许许多多永永不不停停止止的的作作无无规规则则运运动动的的微微粒粒“分分子子”所所组组成成。分分子子的的无无规规则则运运动动与与温温度度密密切切相相关关，因因此此，称为分子的热运动。称为分子的热运动。 分分子子间间的的空空隙隙不不同同，则则分分子子间间的的作作用用力力和和分分子子热热运运动动的的情情况不同，各种物体的性质也不同。况不同，各种物体的性质也不同。 1.1 气体的主要物理性质和气体平气体的主要物理性质和气体平衡方程式衡方程式1.1.1气体的主要物理性能气体的主要物理性能 液体和气体，由于分子间的空隙比固体大，它们都不能保持液体和气体，由于分子间的空隙比固体大，它们都不能保持一定的形状，因而具有固体所没有的一种性质一定的形状，因而具有固体所没有的一种性质流动性。流动性。因此，常将液体和气体称为流体。因此，常将液体和气体称为流体。 气体与液体的共同性：气体与液体的共同性： 由于液体和气体具有流动性，因而它们能将自身重力和由于液体和气体具有流动性，因而它们能将自身重力和所受的外力按原来的大小向各个方向传递。所受的外力按原来的大小向各个方向传递。气体和液体的不同特性：气体和液体的不同特性：气体和液体的不同特性：气体和液体的不同特性： 在一般情况下，液体的体积和密度随温度和压力的变化量很在一般情况下，液体的体积和密度随温度和压力的变化量很在一般情况下，液体的体积和密度随温度和压力的变化量很在一般情况下，液体的体积和密度随温度和压力的变化量很 小小小小，所所所所以以以以，常常常常认认认认为为为为液液液液体体体体是是是是不不不不可可可可压压压压缩缩缩缩性性性性流流流流体体体体( (或或或或称称称称非非非非弹弹弹弹性性性性流流流流体体体体) )； 气气气气体体体体的的的的体体体体积积积积和和和和密密密密度度度度通通通通常常常常随随随随温温温温度度度度和和和和压压压压力力力力的的的的变变变变化化化化较较较较大大大大，所所所所以以以以，常认为气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。常认为气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。常认为气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。常认为气体是可压缩性流体（或称弹性流体）。 在研究气体运动时，应注意：在研究气体运动时，应注意：在研究气体运动时，应注意：在研究气体运动时，应注意： 气气气气体体体体的的的的体体体体积积积积和和和和密密密密度度度度随随随随温温温温度度度度和和和和压压压压力力力力的的的的变变变变化化化化，此此此此为为为为气气气气体体体体区区区区别别别别于于于于液体的一个显著特性。液体的一个显著特性。液体的一个显著特性。液体的一个显著特性。 在研究气体运动时，应考虑其与大气的相互关系，此为在研究气体运动时，应考虑其与大气的相互关系，此为在研究气体运动时，应考虑其与大气的相互关系，此为在研究气体运动时，应考虑其与大气的相互关系，此为气体区别于液体的又一个显著特性。气体区别于液体的又一个显著特性。气体区别于液体的又一个显著特性。气体区别于液体的又一个显著特性。 液体的密度较大液体的密度较大(如每如每m3水的质量为水的质量为1000千克千克)，所以液体在流动过程中基本不受周围大气的影响；所以液体在流动过程中基本不受周围大气的影响； 气体的密度较小气体的密度较小(如每如每m3烟气的质量为烟气的质量为1.3千克千克)，而且与空气的密度相近而且与空气的密度相近(每每m3空气的质量为空气的质量为1.293千克千克)，所以气体在流动过程中受周围大气的影响。所以气体在流动过程中受周围大气的影响。 在研究气体运动时常遇到气体的温度、压力、体积、密度等在研究气体运动时常遇到气体的温度、压力、体积、密度等一些物理参数，这说明通过这些物理参数的变化反映了气体物理一些物理参数，这说明通过这些物理参数的变化反映了气体物理性质常随气体的存在状态而变化。性质常随气体的存在状态而变化。 因此，要了解气体的性质，必须了解这些参数的物理意义及因此，要了解气体的性质，必须了解这些参数的物理意义及其影响因素。其影响因素。气体的几个物理参数气体的几个物理参数 ： 气体的温度气体的温度气体的温度常用各种仪表来测量。气体的温度常用各种仪表来测量。 要测出气体的温度，首先必须确定温标。要测出气体的温度，首先必须确定温标。 所所谓谓温温标标是是指指衡衡量量温温度度高高低低的的标标尺尺，它它规规定定了了温温度度的的起起点（零点）和测量温度的单位。点（零点）和测量温度的单位。 目前国际上常用的温标有目前国际上常用的温标有摄氏温标和绝对温标摄氏温标和绝对温标两种：两种：a、摄氏温标：又名百度温标，是我国使用最广泛的一种温标。摄氏温标：又名百度温标，是我国使用最广泛的一种温标。规定：在标准大气压下（规定：在标准大气压下（760mmHg），），把纯水的冰点定为零把纯水的冰点定为零 度，度， 沸点定为沸点定为100度，在冰点与沸点之间等分为度，在冰点与沸点之间等分为100个分个分 格，每格，每 一格的刻度就是摄氏温度一格的刻度就是摄氏温度1度，用符号度，用符号t表示，其单表示，其单 位符号位符号 为为。本书都采取摄氏温度（。本书都采取摄氏温度（），作为温度的单），作为温度的单 位。位。b、绝对温标：即热力学温标，又名开尔文温标，用符号、绝对温标：即热力学温标，又名开尔文温标，用符号T表表 示，单位符号为示，单位符号为K。规定：以气体分子热运动平均动能超于零的温度为起点，定为规定：以气体分子热运动平均动能超于零的温度为起点，定为0 K，井以水的三相点温度为基本定点，定为，井以水的三相点温度为基本定点，定为273.16K， 于是于是1 K就是水三相点热力学温度的。就是水三相点热力学温度的。在不需要精确计算的情况下，可以近似地认为：在不需要精确计算的情况下，可以近似地认为： T273+t K 绝对温标绝对温标lK与摄氏温标与摄氏温标l的间隔是完的间隔是完全相同的。在一个标准大气压下，纯水冰全相同的。在一个标准大气压下，纯水冰点的热力学温度为点的热力学温度为273.15K，它比水的三，它比水的三相点热力学温度低相点热力学温度低0.01 K，水的沸点为，水的沸点为373.15K。 绝对温标与摄氏温标的关系：绝对温标与摄氏温标的关系： K273.15+ t K 气体的压力气体的压力 a、定义：定义： 由于气体自身的重力作用和气体内部的分子运动作用，由于气体自身的重力作用和气体内部的分子运动作用， 气体内部都具有一定的对外作用力，这个力称为气体气体内部都具有一定的对外作用力，这个力称为气体 的压力。的压力。 气体压力是气体的一种内力，表示气体对外作用力大小的一个气体压力是气体的一种内力，表示气体对外作用力大小的一个物理物理 参数。参数。 气体在运动过程中有温度变化时，气体的平均温度常气体在运动过程中有温度变化时，气体的平均温度常取为气体的始端温度取为气体的始端温度t1和终端温度和终端温度t2的算术平均值，即：的算术平均值，即：b、压力的单位压力的单位 在在工工程程单单位位制制即即米米制制中中，气气体体的的压压力力大大小小有有以以下下三三种种表表示方法：示方法： 以单位面积上所受的作用力来表示，例如：以单位面积上所受的作用力来表示，例如： 公斤公斤/cm2(kgf/cm2）或公斤或公斤/m2(kgf/m2)。 物理学上常把单位面积上气体的对外作用力称为压物理学上常把单位面积上气体的对外作用力称为压强，工程上却常把压强简称为压力。强，工程上却常把压强简称为压力。 冶金炉上所说的压力也是指单位面积上气体的对外冶金炉上所说的压力也是指单位面积上气体的对外作用力，作用力， 亦即在物理意义上相当于物理学上的压强。亦即在物理意义上相当于物理学上的压强。 用大气压来表示：用大气压来表示： 地地球球表表面面包包围围着着一一层层厚厚达达几几百百公公里里的的大大气气层层，大大气气重重量量对对地地球表面上所造成的压力称为大气压力，常用单位是球表面上所造成的压力称为大气压力，常用单位是mmHg。 大大气气压压力力的的数数值值随随着着所所在在地地区区海海拔拔高高度度的的升升高高而而降降低低，也也就就是说，海拔越高，空气越稀薄，大气压力也就越低。是说，海拔越高，空气越稀薄，大气压力也就越低。 在在同同一一地地区区，大大气气压压力力的的数数值值也也因因季季节节、晴晴雨雨等等气气候候变变化化而而稍有差异。稍有差异。用液柱高度来表示：例如米水柱用液柱高度来表示：例如米水柱(mH2O)、毫米水柱、毫米水柱 (mmH2O)和毫米汞柱和毫米汞柱(mmHg)。国际上规定：将纬度国际上规定：将纬度45海平面上测得的全年平均大气压力海平面上测得的全年平均大气压力760mmHg定为一个标准大气压，或者称为物理大气压，它与其定为一个标准大气压，或者称为物理大气压，它与其它压力单位的换算关系是：它压力单位的换算关系是： 1标准大气压标准大气压(a t m)=760mmHg=1.0332 kg f/cm2 =10332 kg f/m2=10332mmH2O工程上为了计算方便，规定工程上为了计算方便，规定1kg f/cm2作为一个工程大气压，作为一个工程大气压，简称工程大气压简称工程大气压(at)，则：则：1工程大气压工程大气压(at)1kgf/cm2=10000kgf/m2=10mH2O =10000mmH2O=735.6mmHg由此可得：由此可得：lmmH2O=1kgf/m2 lmmHg =13.6 mmH2O应当注意应当注意: “标准大气压标准大气压”和和“工程大气压工程大气压”都是都是压力的计量单位，不要与所在地区的实际大气压相混压力的计量单位，不要与所在地区的实际大气压相混淆。淆。a、在高压容器中，气体的压力相当高，往往是几倍或几十倍于在高压容器中，气体的压力相当高，往往是几倍或几十倍于 大气压的，因此，对这些设备中气体的压力计量单位通常用大气压的，因此，对这些设备中气体的压力计量单位通常用 工程大气压表示。工程大气压表示。 b、通风机的送风压力、风道和烟道中气体的压力较小，通常用通风机的送风压力、风道和烟道中气体的压力较小，通常用 毫毫 米水柱表示。米水柱表示。 在实际工程中提到的大气压，除了特别注明是物理大气压在实际工程中提到的大气压，除了特别注明是物理大气压 外，一般都是指工程大气压。外，一般都是指工程大气压。在在国国际际单单位位制制中中，压压力力的的单单位位是是帕帕斯斯卡卡，简简称称帕帕，其其代代号号为为Pa。l帕斯卡是指帕斯卡是指1 m2表面上作用表面上作用1牛顿（牛顿（N）的力，即：的力，即： 1Pa=l N/m2 1kPa=1000N/m2 1MPa=106N/m2米制与国际单位制压力换算关系如下：米制与国际单位制压力换算关系如下： 1标准大气压标准大气压=1.0332 kg f/cm2=101325Pa 1工程大气压工程大气压=l.0 kg f/cm2=98060Pa 1mH2O =9806.6Pa=9. 8066kPa 1mmH2O=9.8086Pa9.81 Pac、气体的压力与温度的关系气体的压力与温度的关系 实实验验研研究究指指出出：当当一一定定质质量量的的气气体体其其体体积积保保持持不不变变（即即等容过程）时，气体的压力随温度呈直线变化，即等容过程）时，气体的压力随温度呈直线变化，即: Pt = Po（l+t）式中：式中： Pt、Po分别为分别为t和和0时气体的压力；时气体的压力； 体积不变时气体的压力温度系数。根据实验体积不变时气体的压力温度系数。根据实验 测测 定，一切气体的压力温度系数都近似地定，一切气体的压力温度系数都近似地等于等于:d、绝对绝对 压力和表压力压力和表压力 气体的压力有绝对压力和表压力两种表示方法。气体的压力有绝对压力和表压力两种表示方法。 以真空为起点所计算的气体压力称为绝对压力，用以真空为起点所计算的气体压力称为绝对压力，用符号符号 表示。表示。 通常所说的标准大气压（大气压力为通常所说的标准大气压（大气压力为101325Pa）和实际和实际大气压（该地该时的实际大气压）都是指大气的绝对压力。大气压（该地该时的实际大气压）都是指大气的绝对压力。 表压力和绝对压力的关系为：表压力和绝对压力的关系为： 设备内气体的绝对压力与设备外相同高度的实际大气压设备内气体的绝对压力与设备外相同高度的实际大气压的差称为气体的表压力，用符号的差称为气体的表压力，用符号 表示。表示。式中：式中：设备内气体的绝对压力；设备内气体的绝对压力；设备外同高度的实际大气压；设备外同高度的实际大气压；设备内气体的表压力。设备内气体的表压力。当气体的表压为正值时，称此气体的表压为正压当气体的表压为正值时，称此气体的表压为正压;当气体的表压为负值时，称此气体的表压为负压，负压那部分当气体的表压为负值时，称此气体的表压为负压，负压那部分 的数值，称为真空度的数值，称为真空度; 当气体的表压为零值时，称此气体的表压为零压。具有零压的当气体的表压为零值时，称此气体的表压为零压。具有零压的 面常称为零压面。面常称为零压面。 气体体积随温度和压力的不同有较大的变化，这是气体体积随温度和压力的不同有较大的变化，这是气体区别于液体的特点之一。气体区别于液体的特点之一。气体的体积气体的体积 气体的体积：表示气体所占据的空间大小的物理参气体的体积：表示气体所占据的空间大小的物理参数。数。 冶金炉内常以每千克质量气体所具有的体积表示气冶金炉内常以每千克质量气体所具有的体积表示气体体积的大小。体体积的大小。 气体的比容：每千克气体具有的体积，用符号气体的比容：每千克气体具有的体积，用符号表表示，单位是示，单位是 m3/kg。a、气体体积与温度关系气体体积与温度关系 l千千克克质质量量的的气气体体，在在恒恒压压条条件件下下，其其体体积积与与其其绝绝对对温温度度成成正正比，即比，即:式中：式中： To0时气体的绝对温度，时气体的绝对温度，K； Ttt时气体的绝对温度，时气体的绝对温度，K； Vo标准状态下标准状态下1千克气体的体积，千克气体的体积，m3; Vt压力为压力为101325Pa温度为温度为t时时1千克气体的体积，千克气体的体积，m3。 设设V代表代表m千克质量气体的体积，上式两端同乘以千克质量气体的体积，上式两端同乘以m，则可得则可得: 当压力不变时，气体的体积随温度升高而增大，随温度降低而当压力不变时，气体的体积随温度升高而增大，随温度降低而减小。为了计算方便，上式可写成：减小。为了计算方便，上式可写成： 式式中中 常常用用符符号号表表示示，称称为为气气体体的的温温度度膨膨胀胀系系数数。因因此此，上上式可写成式可写成m3b、气体体积与压力的关系气体体积与压力的关系 l千千克克质质量量的的气气体体，在在恒恒温温条条件件下下，其其体体积积与与其其绝绝对对压压力力成反比，成反比， 即即 ：式中：式中： P1、P2、P相同温度下气体的各绝对压力，相同温度下气体的各绝对压力，Pa或或N/m2； v1、v2、v各相应压力下气体的比容，各相应压力下气体的比容，m3/kg。同理：对同理：对m千克质量气体可得千克质量气体可得:式中式中: V1、V2、V各相应压力下各相应压力下m千克气体的体积，千克气体的体积，m3。结论：结论：气体的体积或比容随气体压力的增大而降低，随气体压气体的体积或比容随气体压力的增大而降低，随气体压 力的降低而增大。力的降低而增大。c、气体的状态方程式气体的状态方程式 表表明明气气体体的的温温度度、压压力力、体体积积的的综综合合关关系系式式称称为为气气体体的的状状态态方程式。方程式。对于对于1千克理想气体的状态方程式为：千克理想气体的状态方程式为：式中：式中： T1、T2、T气体的各绝对温度，气体的各绝对温度，K； P1、P2、P气体的各绝对压力，气体的各绝对压力，N/m2； v1、v2、v气体在各相应温度和相应压力下的比容，气体在各相应温度和相应压力下的比容， m3/kg； R气体常数，气体常数，J/kgK。气体常数气体常数R的单位：的单位：国际单位制中，压力的单位是国际单位制中，压力的单位是PaN/m2，比容的单位是比容的单位是m3/kg，温度，温度T的单位是的单位是K，功的单位是焦耳，用符号功的单位是焦耳，用符号J表示，表示，即即1 J1Nm， 例题例题11 若空气在标准状态时的比容为若空气在标准状态时的比容为0.773m3/kg，求空气求空气 的气体常数的气体常数R 为多少为多少?R的物理意义：的物理意义：1千克质量的气体在定压下，加热升高千克质量的气体在定压下，加热升高l度时所做度时所做 的膨胀功的膨胀功。如如果果气气体体的的质质量量不不是是l千千克克而而是是m千千克克，则则可可得得到到适适用用于于m千千克气体的状态方程式克气体的状态方程式： 当已知当已知P、V、T三个参数时，可按下式计算出气体的质量三个参数时，可按下式计算出气体的质量m:在在国国际际单单位位制制中中，1克克分分子子量量叫叫做做1摩摩尔尔(mo1)，1千千克克分分子子量量叫叫做做1千摩尔（千摩尔（kmo1）。）。例例如如氧氧气气（O2）的的分分子子量量是是32，则则32g氧氧称称为为lmo1，32kg氧称为氧称为1 kmol。实验证明：在标准状态下，理想气体的每千摩尔体积或称千克实验证明：在标准状态下，理想气体的每千摩尔体积或称千克 分子体积都等于分子体积都等于22.4标准标准m3，如以，如以M表示气体的分表示气体的分 子量子量kg/kmo1，即：，即： M vo= 22.4 m3/kmo1 MR称为通用气体常数（或摩尔气体常数），对于所有理想称为通用气体常数（或摩尔气体常数），对于所有理想气体，其数值都等于气体，其数值都等于8314。 对于对于1kmo1的气体，可以写出它的的气体，可以写出它的状态方程式，即在气体状态方程式，即在气体状态方程式各项分别乘以状态方程式各项分别乘以M: 将标准状态下的压力、温度和摩将标准状态下的压力、温度和摩尔体积数值代入上式中，得：尔体积数值代入上式中，得：例题例题12 某压缩空气贮气罐，压力表读数为某压缩空气贮气罐，压力表读数为7气压气压(at)，温度，温度计计 读数为读数为25，贮气罐的体积为，贮气罐的体积为3m3，当地大气压力取当地大气压力取 为为l气压气压(at)，试求罐内空气的重量。试求罐内空气的重量。解：压缩空气的质量为：解：压缩空气的质量为： 则罐内空气的重量为：则罐内空气的重量为： 例题例题13 某封闭容器内贮有压缩空气，用压力表测某封闭容器内贮有压缩空气，用压力表测 得：当大气压为得：当大气压为745m m Hg时，压力表上时，压力表上 读数为读数为2气压气压(at)；若大气；若大气 压改变为压改变为770 mmHg时，压力表上时，压力表上 读数为多少？读数为多少？ 解：由于大气压力改变时，容器内压缩空气的状态没有发生变解：由于大气压力改变时，容器内压缩空气的状态没有发生变化，即容器内空气的绝对压力化，即容器内空气的绝对压力P绝绝是个常数，仅仅是由于是个常数，仅仅是由于P大气大气不不同而使压力表上的读数发生变化。现将同而使压力表上的读数发生变化。现将P表表1和和P表表2表示压力表示表示压力表示 值在变化前后的读数，则：值在变化前后的读数，则： 例题例题14 在一煤气表上读得煤气的消耗量是在一煤气表上读得煤气的消耗量是683.7m3。在使用在使用 期间煤气表的平均表压力是期间煤气表的平均表压力是44mmH2O，其温度平均其温度平均 为为17 。大气压力平均为。大气压力平均为100249Pa。求：求： (1)相当于消耗了多少标准相当于消耗了多少标准m3的煤气？的煤气？ (2)如煤气压力降低至如煤气压力降低至30mmH2O，问此时同一煤气耗用量的读问此时同一煤气耗用量的读数数 相相 当于多少标准当于多少标准m3？ (3)煤气温度变化时，对煤气流量的测量有何影响？试以温度变煤气温度变化时，对煤气流量的测量有何影响？试以温度变 化化30为例加以说明？为例加以说明？解：已知解：已知V1=683.7 m 3，P表表1=44 mmH2O，T1=17+273=290K， P大气大气=100249Pa (1)(2) 已知已知P表表1=30mmH2O，T1=290K(3) 已知已知P表表1=44mmH2O，T1=273+30=303K(4) 气体的密度气体的密度单单位位体体积积气气体体具具有有的的质质量量称称为为气气体体的的密密度度，用用符符号号表表示示，单位是单位是kg/m3。 气体密度是表示气体轻重程度的物理参数。气体密度是表示气体轻重程度的物理参数。当当气气体体的的质质量量为为mkg，其其标标准准状状态态下下的的体体积积为为Vom3时时，则则气体在标准状态下的密度气体在标准状态下的密度o为：为：比容与密度互为倒数，即：比容与密度互为倒数，即：单位质量的气体所占有的体积称为气体的比容，用符号单位质量的气体所占有的体积称为气体的比容，用符号表表示，单位是示，单位是m3/kg。冶冶金金生生产产中中常常见见的的气气体体（如如煤煤气气、炉炉气气等等）都都是是由由几几种种简单气体组成的混合气体。简单气体组成的混合气体。 混合气体在标准状态下的密度可用下式计算：混合气体在标准状态下的密度可用下式计算：式中：式中： 1、2、n各组成物在标准态下的密度，各组成物在标准态下的密度， Kg/m3; a1、a2、an各组成物在混合气体中的百分各组成物在混合气体中的百分 数，数，%。例题例题16某煤气的成分为：某煤气的成分为：CO=27.4%；CO2=10%， H23.2%， N2=59.4%。试求此煤气在标准状态下试求此煤气在标准状态下 的密度？的密度？ 解：解： 由表由表12中查得各组成物在标准状态下的密度为：中查得各组成物在标准状态下的密度为： CO=l.251 kg/m3，CO2=l. 997kg/m3，H2=0.0899kg/m3， N2= l.251 kg/m3。此煤气在标准状态下的密度为：此煤气在标准状态下的密度为：a、气体密度随温度的变化气体密度随温度的变化前已指出：气体的密度随其温度和压力的不同而有较大的变化，此前已指出：气体的密度随其温度和压力的不同而有较大的变化，此 为气体区别于液体的特性之一。为气体区别于液体的特性之一。 下面分析这种变化。下面分析这种变化。在在标标准准大大气气压压时时，气气体体在在t下下的的质质量量和和体体积积分分别别为为m和和Vt时时，则在则在t下气体的密度为：下气体的密度为：注意：此式也可用于低压气体。注意：此式也可用于低压气体。 对对一一定定o的的气气体体而而言言，其其密密度度t随随着着本本身身温温度度t的的升升高高而而降降低低。各各种种热热气气体体的的密密度度都都小小于于常常温温下下大大气气的的密密度度，亦亦即即设设备备内内的的热热气气体体都都轻轻于于设设备备外外的的大大气气。此此为为设设备备内内热热气气体体的的一一个个重重要要特点。此特点对研究气体基本方程有重要作用。特点。此特点对研究气体基本方程有重要作用。b、气体密度随压力的变化气体密度随压力的变化在恒温条件下的气体密度与气体绝对压力的关系式：在恒温条件下的气体密度与气体绝对压力的关系式：式中：式中： 1、2、在各相应压力下的气体密度，在各相应压力下的气体密度， kg/m3结论：气体密度随气体绝对压力的增加而增大，随绝结论：气体密度随气体绝对压力的增加而增大，随绝 对压力的降低而减小。对压力的降低而减小。c、气体密度随气体温度和压力的变化气体密度随气体温度和压力的变化 气体密度随温度和压力的变化关系式为气体密度随温度和压力的变化关系式为：式中：式中：1、2、在各相应压力和各相应温度下的气体在各相应压力和各相应温度下的气体 密度，密度， kg/m3。 结论：气体密度随气体温度和气体压力的不同都发生结论：气体密度随气体温度和气体压力的不同都发生 变化变化。气体密度随气体压力而变化的特性称为气体的可压缩性。气体密度随气体压力而变化的特性称为气体的可压缩性。气体都具有可压缩性，此为气体的特性之一。气体都具有可压缩性，此为气体的特性之一。应当指出：冶金炉上的低压气体在流动过程中的压力变化一般应当指出：冶金炉上的低压气体在流动过程中的压力变化一般 不超过不超过9810Pa，在此压力变化下的密度变化不超，在此压力变化下的密度变化不超 过过 10%。 工程上常认为冶金炉上的低压气体属于不可压缩性气体。对工程上常认为冶金炉上的低压气体属于不可压缩性气体。对被认为是不可压缩性气体的低压气体而言，气体密度不随压力而被认为是不可压缩性气体的低压气体而言，气体密度不随压力而变，气体密度只随温度而变化。变，气体密度只随温度而变化。但是冶金炉上的高压气体在流动过程中的压力变化常超过但是冶金炉上的高压气体在流动过程中的压力变化常超过9810Pa，在此压力变化下的密度变化较大，因此，这些气体仍在此压力变化下的密度变化较大，因此，这些气体仍属于可压缩性气体。对于可压缩性气体而言，气体密度同时随属于可压缩性气体。对于可压缩性气体而言，气体密度同时随气体温度和气体压力按下式的关系而变化。气体温度和气体压力按下式的关系而变化。例题例题16 某气罐内压缩空气的表压为某气罐内压缩空气的表压为7大气压（大气压（at），），实际温度实际温度 为为80。当实际大气压为。当实际大气压为1大气压（大气压（at）时，此压缩空时，此压缩空 气的实际密度为多少？气的实际密度为多少？解：压缩空气的绝对压力：解：压缩空气的绝对压力：P绝绝P表表+P大气大气=7+1=8at=784800 Pa 绝对温度绝对温度: T=273+t=273+30=303 K 压缩空气在实际温度和实际压力下的密度为压缩空气在实际温度和实际压力下的密度为:单单位位体体积积气气体体具具有有的的重重量量称称为为气气体体的的重重度度，用用符符号号表表示示，单位是单位是N/m3。它。它是表示气体轻重程度的物理参数。是表示气体轻重程度的物理参数。 当气体重量为当气体重量为G牛顿，在标准状态下的体积为牛顿，在标准状态下的体积为Vom3 ，则此则此气体在标准状态下的重度气体在标准状态下的重度o为：为：(5) 气体的重度气体的重度当当重重力力加加速速度度g9.8m/s时时，气气体体的的重重量量G(N)与与气气体体的的质质量量m(kg/m3)间存在如下的关系：间存在如下的关系： G=mg N 气体在标准状态下密度和重度的关系为：气体在标准状态下密度和重度的关系为：此原理同样亦适用于气体。此原理同样亦适用于气体。对固体和液体而言，阿基对固体和液体而言，阿基米德原理的内容可表达如米德原理的内容可表达如下：固体在液体中所受的下：固体在液体中所受的浮力，等于所排开同体积浮力，等于所排开同体积该液体的重量。该液体的重量。1.1.2 阿基米德原理阿基米德原理热气在空气中的重力应为：热气在空气中的重力应为：G气气-G空空同体积空气的重量为：同体积空气的重量为：G气=Hfg设有一个倒置的容器，如图设有一个倒置的容器，如图13所示，高为所示，高为H，截面积为截面积为f，容器内盛满热气容器内盛满热气(密度为密度为)，四周皆为冷空气，四周皆为冷空气(密度为密度为)，热气，热气的重量为：的重量为：若若上上式式之之两两边边各各除除以以f，则则单单位位面面积积上上的的气气柱柱所所具具有有的的上上升升力可写成下面的形式：力可写成下面的形式：上式说明：单位面积上气柱所具有的上升力决定于气柱之高度上式说明：单位面积上气柱所具有的上升力决定于气柱之高度 和冷、热气体的密度差。和冷、热气体的密度差。小于小于， 热气在空气中的重力必是负值，热气在空气中的重力必是负值， 也就是说热气在冷气中也就是说热气在冷气中实际上具有一种上升力。实际上具有一种上升力。 气体平衡方程式是研究静止气体的压力变化规律的气体平衡方程式是研究静止气体的压力变化规律的方程式。方程式。自然界内不存在绝对静止的气体。但是可认为某些自然界内不存在绝对静止的气体。但是可认为某些气体（如大气、煤气罐内的煤气、炉内非流动方向上的气体（如大气、煤气罐内的煤气、炉内非流动方向上的气体等）是处于相对静止状态。气体等）是处于相对静止状态。 下面分析相对静止气体的压力变化规律。下面分析相对静止气体的压力变化规律。1.1.3 气体平衡方程式气体平衡方程式l、气体绝对压力的变化规律气体绝对压力的变化规律如图如图14所示，在静止的大气中取一个底面积为所示，在静止的大气中取一个底面积为f平方米、平方米、高度为高度为H米的长方体气柱。如果气体处于静止状态，则此气柱的米的长方体气柱。如果气体处于静止状态，则此气柱的水平方向和垂直方向的力都应该分别处于平衡状态水平方向和垂直方向的力都应该分别处于平衡状态。在在水水平平方方向向上上，气气柱柱只只受受到到其其外外部部大大气气的的压压力力作作用用，气气柱柱在在同同一一水水平平面面上上受受到到的的是是大大小小相相等等，方方向向相相反反的的压压力力。这这些些互互相相抵抵消消的的压压力力使使气气柱柱在在水水平平方方向向上上保保持持力力的的平平衡衡而而处处于于静静止止状状态。态。在垂直方向上，气柱受到三个力的作用：在垂直方向上，气柱受到三个力的作用：（1）向上的）向上的I面处大气的总压力面处大气的总压力P1 f，N；（2）向下的向下的面处大气的总压力面处大气的总压力P2f，N；（3）向下的气柱总重量向下的气柱总重量G=Hfg，N。气体静止时，这些力应保持平衡，即：气体静止时，这些力应保持平衡，即： P1f = P2f + Hfg 当当f=lm2时，则得：时，则得： P1= P2+ Hg (1)注：注：(1)式为气体绝对压力变化规律的气体平衡方程式。式为气体绝对压力变化规律的气体平衡方程式。式中：式中： P1气体下部的绝对压力，气体下部的绝对压力，Pa； P2气体上部的绝对压力，气体上部的绝对压力，Pa； HP1面和面和P2面间的高度差，面间的高度差，m； 气体的密度，气体的密度， kg/m3； g重力加速度，重力加速度，9.81 m/s2。上式说明：静止气体沿高度方向上绝对压力的变化规律是下部上式说明：静止气体沿高度方向上绝对压力的变化规律是下部 气体的绝对压力大于上部气体的绝对压力，上下两点气体的绝对压力大于上部气体的绝对压力，上下两点 间的绝对压力差等于此两点间的高度差乘以气体在实间的绝对压力差等于此两点间的高度差乘以气体在实 际状态下的平均密度与重力加速度之积。际状态下的平均密度与重力加速度之积。 不仅适用于大气，而且适用于任何静止气体或液体。不仅适用于大气，而且适用于任何静止气体或液体。气体平衡方程式适用范围：气体平衡方程式适用范围：例题例题17 某地平面为标准大气压。当该处平均气温为某地平面为标准大气压。当该处平均气温为20， 大气密度均匀一致时，距地平面大气密度均匀一致时，距地平面100m的空中的实际的空中的实际 大气压为多少？大气压为多少？解：可认为大气为不可压缩性气体时，则大气的实际密度为：解：可认为大气为不可压缩性气体时，则大气的实际密度为：则则100米处的实际大气压为：米处的实际大气压为：P2= P1Hg=1013251009.811.21=100138 Pa计算表明：空中的大气压低于地面的大气压，高山顶上的气压计算表明：空中的大气压低于地面的大气压，高山顶上的气压 低即为此道理。低即为此道理。2 、气体表压力的变化规律、气体表压力的变化规律下面分析静止气体内表压力沿高度方向上的变化关系。下面分析静止气体内表压力沿高度方向上的变化关系。如图如图15所示：所示： 炉炉内内是是实实际际密密度度为为的的静静止止炉炉气气，炉炉外外是是实实际际密密度度为为的的大气。大气。 炉炉气气在在各各面面处处的的绝绝对对压压力力分分别别为为P1、P2和和Po，表表压压力力分分别为别为P表表1、P表表2和和P表表o。 炉气在炉气在I面和面和面处的表压力分别为：面处的表压力分别为：则则 I面与面与面的表压差应为面的表压差应为：I面和面和面处大气的绝对压力差为：面处大气的绝对压力差为：I面和面和面处炉气的绝对压力差为面处炉气的绝对压力差为：P2 P1=Hg经过综合计算，则得：经过综合计算，则得： 或或 式中：式中： P表表2上部炉气的表压力，上部炉气的表压力，Pa； P表表1下部炉气的表压力，下部炉气的表压力，Pa； 大气的实际密度，大气的实际密度，kg/rn3； H两点间的高度差，两点间的高度差，m。 上式是气体平衡方程式的又一种形式。上式是气体平衡方程式的又一种形式。此式适用于任何与大气同时存在的静止气体。此式适用于任何与大气同时存在的静止气体。气体平衡方程式表明：当气体密度气体平衡方程式表明：当气体密度小于大气密度小于大气密度（热气体热气体 皆如此）时，静止气体沿高度方向上，表皆如此）时，静止气体沿高度方向上，表 压力的变化是上部气体的表压力大于下部压力的变化是上部气体的表压力大于下部 气体的表压力，上下两点间的表压差等气体的表压力，上下两点间的表压差等 于此两点间的高度差乘以大气与气体的于此两点间的高度差乘以大气与气体的 实际实际 密度差与重力加速度之积。密度差与重力加速度之积。 此两点间的表压差等于气柱的上升力此两点间的表压差等于气柱的上升力。由图由图15看出：如果炉门中心线的看出：如果炉门中心线的0面处的炉气表压力为零（生面处的炉气表压力为零（生 产中常这样控制），则产中常这样控制），则I面和面和面的表压力分别面的表压力分别 为：为：如如果果炉炉内内是是高高温温的的热热气气体体，其其实实际际密密度度小小于于大大气气密密度度，则由上式不难看出：则由上式不难看出：零压面以上各点的表压力零压面以上各点的表压力P表表2为正压，当该点有孔洞为正压，当该点有孔洞 时，会发生炉气向大气中的溢气现象；时，会发生炉气向大气中的溢气现象；零压面以下各点的表压力零压面以下各点的表压力P表表1为负压，当该点有孔洞为负压，当该点有孔洞 存在时，会发生将大气吸入的吸气现象存在时，会发生将大气吸入的吸气现象。这这个个规规律律存存在在于于任任何何与与大大气气同同时时存存在在的的密密度度小小于于大大气气的的静静止气体中。止气体中。 炉炉墙墙的的缝缝隙隙处处经经常常向向外外冒冒火火，烟烟道道和和烟烟囱囱的的缝缝隙隙处处经经常常吸吸入入冷风就是这个规律的具体表现。冷风就是这个规律的具体表现。例题例题18 某加热炉炉气温度为某加热炉炉气温度为1300， 由燃烧计算得知该由燃烧计算得知该炉炉 气在标准状态下的密度为气在标准状态下的密度为o=1.3kg/m3。车间温车间温 度为度为15。零压线在炉底水平面上。求炉底以上。零压线在炉底水平面上。求炉底以上1米米 高度高度 处的炉膛压力（指表压处的炉膛压力（指表压P值）是多少？值）是多少？解：炉气密度解：炉气密度： 空气密度空气密度 ：把基准面取在炉底水平面上，则把基准面取在炉底水平面上，则1米高度处的炉膛压力为：米高度处的炉膛压力为：l、气体的粘性气体的粘性 在在气气体体运运动动过过程程中中，由由于于其其内内部部质质点点间间的的运运动动速速度度不不同同，会会产生摩擦力。产生摩擦力。 例例如如，当当气气体体在在管管道道中中流流动动时时，一一方方面面气气体体与与管管壁壁之之间间发发生生摩摩擦擦（此此种种摩摩擦擦称称为为外外摩摩擦擦）。另另一一方方面面，由由于于气气体体分分子子间间的的距距离离大大，相相互互吸吸引引力力小小，紧紧贴贴管管壁壁的的气气体体质质点点因因其其与与管管壁壁的的附附着着力力大大于于气气体体分分子子间间的的相相互互吸吸引引力力，其其运运动动速速度度小小。而而离离管管壁壁愈愈远远，则则运运动动速速度度愈愈大大，这这样样就就引引起起管管内内各各层层气气流流间间的的速速度度不不同同，就就为为气体内部产生内摩擦力提供了先决条件。气体内部产生内摩擦力提供了先决条件。1.2 气体流动的动力学气体流动的动力学1.2.1 流体流动的状态流体流动的状态气体内摩擦力的产生，是由于气体分子间的距离大，相互气体内摩擦力的产生，是由于气体分子间的距离大，相互吸力小的原因，导致分子热运动较显著。当各层气流间的速度不吸力小的原因，导致分子热运动较显著。当各层气流间的速度不同时，气体分子会由一层跑到另一层，流速较快的气体分子会进同时，气体分子会由一层跑到另一层，流速较快的气体分子会进入流速较慢的气层，流速较慢的气体分子也会进入流速较快的气入流速较慢的气层，流速较慢的气体分子也会进入流速较快的气层。这样，流速不同的相邻气层间就会发生能量（动量）交换，层。这样，流速不同的相邻气层间就会发生能量（动量）交换，较快的一层将显示一种力带动较慢的一层向前移动，较慢的一层较快的一层将显示一种力带动较慢的一层向前移动，较慢的一层则显示出一个大小相等方向相反的力阻止较快的一层前进。则显示出一个大小相等方向相反的力阻止较快的一层前进。 体现在气体流动时使两相邻气层的流速趋向一致，且大小相体现在气体流动时使两相邻气层的流速趋向一致，且大小相等方向相反的力，称为内摩擦力或粘性力。等方向相反的力，称为内摩擦力或粘性力。 气气体体作作相相对对运运动动时时产产生生内内摩摩擦擦力力的的这这种种性性质质称称为为气气体体的的内内摩摩擦或粘性。擦或粘性。气气层层间间的的分分子子引引力力也也能能阻阻止止气气层层作作相相对对移移动动，只只是是由由于于气气体分子间的相互吸引力小，这种作用不显著。体分子间的相互吸引力小，这种作用不显著。因因此此，对对气气体体来来说说，分分子子热热运运动动所所引引起起的的分分子子掺掺混混是是气气体体粘粘性性产产生生的的主主要要根根据据；液液体体分分子子间间距距离离小小，分分子子引引力力大大，粘粘性性力力主主要由分子引力所产生。要由分子引力所产生。实实验验证证实实：气气体体的的粘粘性性力力F粘粘正正比比于于相相邻邻两两层层气气体体之之间间的的接接触触面面积积f以以及及垂垂直直于于粘粘性性力力方方向向的的速速度度梯梯度度 (如如图图16所所示示）。写成等式得到：写成等式得到：式中：式中： F粘粘粘性力，粘性力，N； 粘性系数或粘度，由上式可导出粘度的单位为粘性系数或粘度，由上式可导出粘度的单位为 ：因为因为具有动力学的量纲，故又称为动力粘度。具有动力学的量纲，故又称为动力粘度。2. 理想流体与实际流体理想流体与实际流体 设粘性为零的流体叫理想流体。设粘性为零的流体叫理想流体。 实实际际上上流流体体或或多多或或少少都都具具有有一一定定的的粘粘性性，这这种种有有粘粘性性的的流流体体叫做实际流体。叫做实际流体。分分析析流流体体运运动动时时，假假设设流流体体没没有有粘粘性性，把把它它看看成成理理想想流流体体来来处处理。理。3. 稳定流动和不稳定流动稳定流动和不稳定流动所所谓谓稳稳定定流流动动指指的的是是流流体体中中任任意意一一点点上上的的物物理理量量不不随随时时间间改变的流动过程。若用数学语言表示为：改变的流动过程。若用数学语言表示为：式中：式中： u流体的某一物理量；流体的某一物理量； 时间。时间。若若 ，即随时间变化，则称为不稳定流动。，即随时间变化，则称为不稳定流动。在气体力学中，主要讨论气体在稳定流动条件下的运动。在气体力学中，主要讨论气体在稳定流动条件下的运动。4. 管内流型及雷诺数管内流型及雷诺数由实验可知：气体在流动时有两种截然不同的流动情况，即由实验可知：气体在流动时有两种截然不同的流动情况，即层流和紊流。层流和紊流。 A、层流层流当气体流速较小时，各气体质点平行流动，此种流动称为层流。当气体流速较小时，各气体质点平行流动，此种流动称为层流。由于气体在管道中流动时，管壁表面对气体有吸附和摩擦由于气体在管道中流动时，管壁表面对气体有吸附和摩擦作用，管壁上总附有一层薄的气体，此种气体称为边界层。当作用，管壁上总附有一层薄的气体，此种气体称为边界层。当管内气体为层流时，此边界层气体不流动，它对管内气体产生管内气体为层流时，此边界层气体不流动，它对管内气体产生阻碍作用，距离边界层越近，这种阻碍作用越大。对层流来说，阻碍作用，距离边界层越近，这种阻碍作用越大。对层流来说，由于气体质点没有径向的运动，这种阻碍作用越显著。因此，由于气体质点没有径向的运动，这种阻碍作用越显著。因此，在层流情况下管道内气流速度是按抛物线分布的。在层流情况下管道内气流速度是按抛物线分布的。其特点如下：其特点如下：B、 紊紊流流 当当气气流流速速度度较较大大时时，各各气气流流质质点点不不仅仅沿沿着着气气流流前前进进方方向向流流动动，而而且且在在各各个个方方向向作作无无规规则则的的杂杂乱乱曲曲线线运运动动，通通常常称称为为紊紊流流。在在紊紊流情况下主流内形成许多细小的旋涡，故又称涡流。流情况下主流内形成许多细小的旋涡，故又称涡流。由于紊流时，气体质点有横向流动，边界层不再是静止状态，由于紊流时，气体质点有横向流动，边界层不再是静止状态，而是层流状态，对中心气流速度的影响也较小，因此，管内的气而是层流状态，对中心气流速度的影响也较小，因此，管内的气流速度分布较均匀流速度分布较均匀。C、流、流型的判别和雷诺数的意义型的判别和雷诺数的意义紊流的形成与下列因素有关：紊流的形成与下列因素有关：(1)气流速度气流速度(t)：t越大，越易形成紊流；越大，越易形成紊流；(2)气体密度气体密度(t)：t愈大，气体质点横向运动的惯性愈大，愈愈大，气体质点横向运动的惯性愈大，愈(3) 易易 形成紊流；形成紊流；(4)(3)管管道道直直径径(d)：d愈愈大大，管管壁壁对对中中心心气气流流的的摩摩擦擦作作用用愈愈小小，愈易愈易 形成紊流；形成紊流；(4)气体粘性气体粘性(t)：t愈小，产生的内摩擦力愈小，愈易形成紊愈小，产生的内摩擦力愈小，愈易形成紊 流。流。气体在管道内的流动情况决定于下列数值：气体在管道内的流动情况决定于下列数值：或或式中：式中：Re雷诺准数雷诺准数(简称雷诺数简称雷诺数)，无因次；，无因次；t气体温度为气体温度为t时流过横截面的平均速度，时流过横截面的平均速度，m/s；t气体温度为气体温度为t时的密度，时的密度，kg/m3；t气体温度为气体温度为t时的粘度系数，时的粘度系数，Ns/m2;t 气体温度为气体温度为t时的动粘度系数，时的动粘度系数，m2/s；d当当当量直径，当量直径，m。对于圆形管道，对于圆形管道，d当当即管道直径；当即管道直径；当 管道不是圆形时，当量直径的求法为：管道不是圆形时，当量直径的求法为： 实实验验证证明明：当当气气体体在在光光滑滑管管道道中中流流动动时时，Re10000时为紊流；时为紊流；2300ReLe时，管道中的速度分布就稳定下时，管道中的速度分布就稳定下来了。所以又把来了。所以又把X临临=Le称做稳定段称做稳定段(或叫固定段或叫固定段)。对气体在管道。对气体在管道中的流动状态可以这样来理解：如果在附面层淹没到管道轴线之中的流动状态可以这样来理解：如果在附面层淹没到管道轴线之前，附面层为层流附面层，则淹没以后管道中的流体将继续保持前，附面层为层流附面层，则淹没以后管道中的流体将继续保持层流状态的性质，如图层流状态的性质，如图19所示；如果附面层在淹没到管道轴所示；如果附面层在淹没到管道轴线以前就已变成紊流附面层，则管内后段流体的流动性质将是紊线以前就已变成紊流附面层，则管内后段流体的流动性质将是紊流状态的了。如图流状态的了。如图110所示。所示。 气体连续方程式是研究运动气体在运动过程中流量间关系的方气体连续方程式是研究运动气体在运动过程中流量间关系的方程式。程式。运动气体的主要物理参数：运动气体的主要物理参数：1、流速和流量、流速和流量A、流速流速 单位时间内气体流动的距离称为气体的流速，用符号单位时间内气体流动的距离称为气体的流速，用符号表示，表示，单位是单位是m/s。流速是表示气体流动快慢的物理参数。流速是表示气体流动快慢的物理参数。 标准状态下气体的流速用标准状态下气体的流速用o表示，单位仍是表示，单位仍是m/s。 1.2.2 运动气体的连续方程式运动气体的连续方程式式中：式中：o标准状态下气体的流速标准状态下气体的流速,，m/s； t气体的温度气体的温度,; t10l325Pa，t时气体的流速，时气体的流速，m/s； 气体温度膨胀系数。气体温度膨胀系数。B、流量流量 单位时间内气体流过某截面的数量称为流量。单位时间内气体流过某截面的数量称为流量。 流量是表示气体流动数量多少的物理参数。流量是表示气体流动数量多少的物理参数。 流速也随气体的压力和温度而变。恒压下，流速随温度的变流速也随气体的压力和温度而变。恒压下，流速随温度的变化关系为：化关系为：a、体积流量体积流量 单单位位时时间间内内气气体体流流过过某某截截面面的的体体积积称称为为体体积积流流量量，用用符符号号V表表 示，单位为示，单位为m3/s、m3/min或或m3/h。标标准准状状态态下下气气体体的的体体积积流流量量用用Vo表表示示。当当气气体体的的流流动动截截面面为为f m2，气气体体在在标标准准状状态态下下的的流流速速为为o m/s时时，则则气气体体在在标标准状态下的体积流量为：准状态下的体积流量为： Vo =of m3/s由式中看出：当生产要求的体积流量由式中看出：当生产要求的体积流量Vo和选取的经验流速和选取的经验流速o 已知时，可根据公式确定气体运动设备的流动截已知时，可根据公式确定气体运动设备的流动截 面面f值，从而确定设备的流动直径值，从而确定设备的流动直径D值。值。恒压时体积流量随温度的变化关系为：恒压时体积流量随温度的变化关系为： 或或 或或b、质量流量质量流量 单单位位时时间间内内气气体体流流过过某某截截面面的的质质量量称称为为质质量量流流量量，用用符符号号M表示，单位是表示，单位是kg/s或或kg/h。质量等于体积乘以密度，因此可得：质量等于体积乘以密度，因此可得： Kg/s 适用于标准状态下的气体。适用于标准状态下的气体。或或 kg/s 适用于任意状态下的气体。适用于任意状态下的气体。式中：式中：M气体的质量，气体的质量，kg/s；f气体的流动截面，气体的流动截面，m2；o、o和和Vo标准状态下气体的流速标准状态下气体的流速(m/s)、密度密度(kg/m3)和和 体积流量体积流量(m3/s)； 、和和V任意状态下气体的流速任意状态下气体的流速(m/s)、密度密度(kg/m3)和体积流和体积流 量量(m3/s)。应当指出：气体的质量流量是不随其温度和压力变化的。应当指出：气体的质量流量是不随其温度和压力变化的。2、连续方程式、连续方程式当气体在管道中连续当气体在管道中连续(即气体充满管道，管道不吸气亦不漏即气体充满管道，管道不吸气亦不漏气气)而稳定流动时，气体流过管道各截面的质量必相等。而稳定流动时，气体流过管道各截面的质量必相等。 如如图图111中中，气气体体在在管管道道内内由由截截面面向向截截面面做做稳稳定定流流动动，根根据据上上述述推推论论，则则此此两两截截面面上上的的质质量量流流量量应应当当相相等等，即即： M1=M2 或V11=V22式中：式中： M1和和M2I面和面和面的质量流量，面的质量流量，kg/s； 1和和p2任意状态下任意状态下I面和面和面处的气体密度，面处的气体密度，kg/m3； 1和和2任意状态下任意状态下I面和面和面处的气体流速，面处的气体流速， m/s； f1和和f2I面和面和面处流体的截面积，面处流体的截面积，m2。 如如果果不不仅仅是是稳稳定定流流动动，而而且且气气体体在在流流动动过过程程中中的的密密度度保保持持不不变，即变，即1=p2，则：则：V1=V2式中：式中：V1和和V2流动时，密度不变的流动时，密度不变的I面和面和面处的体积流量，面处的体积流量， m3/s； 1和和2流动时，密度不变的流动时，密度不变的I面和面和面处的气体流速，面处的气体流速， m/s； f1和和f21面和面和面处流体的截面积，面处流体的截面积，m2。例题例题19 已知某炉子煤气消耗量为已知某炉子煤气消耗量为7200标米标米3/小时，燃烧产物小时，燃烧产物量为量为2.9标米标米3/标米标米3煤气，废气流经烟道时的温度为煤气，废气流经烟道时的温度为450，烟道截面积已知是，烟道截面积已知是1.2米米2。求废气在烟道中的。求废气在烟道中的流速为多少流速为多少? 废气在烟道中的流速：废气在烟道中的流速：在在t=450时废气的体积流量时废气的体积流量: 解解: 每秒的废气流量：每秒的废气流量： 如如图图113的的管管道道内内流流动动着着稳稳定定流流动动的的气气体体，在在此此管管道道上上任任取一截面积为取一截面积为f的横截面。下面研究此横截面上气体具有的能量。的横截面。下面研究此横截面上气体具有的能量。在在靠靠近近f截截面面取取一一长长为为dl，体体积积为为dV=fdl的的微微小小气气块块。当当dl极极小小时时，此此气气块块具具有有的的能能量量即即为为f截截面面上上气气体体具具有有的的能能量量。下下面面分分析析此此气气块块即即f截截面面上上气气体具有的能量。体具有的能量。1.2.3 气体的能量气体的能量1、位压和位压头、位压和位压头当气块的质量、密度和距基准面的高度分别为当气块的质量、密度和距基准面的高度分别为m、和和H时，时，此气块具有的位能为：此气块具有的位能为： 位能位能=m g H=dv g H Nm单位体积气体具有的位能称为位压。单位体积气体具有的位能称为位压。气块亦即气块亦即f面上气体的位压为：面上气体的位压为： 当当气气体体的的密密度度一一定定时时，气气体体各各处处的的位位压压仅仅随随该该处处距距基基准准面面的的高高度度而而变变，若若基基准准面面取取在在下下面面，则则愈愈上上面面气气体体的的位位压压愈愈大大，愈下面气体的位压愈小。愈下面气体的位压愈小。管管内内气气体体位位压压与与管管外外同同高高度度上上大大气气的的位位压压的的差差值值，称称为为管管内气体的相对位压或简称位压头，用符号内气体的相对位压或简称位压头，用符号h位位表示，单位是表示，单位是Pa。气体的位压头是单位体积气体所具有的相对位压。气体的位压头是单位体积气体所具有的相对位压。 当气体的密度当气体的密度小于大气密度小于大气密度，即浮力大于气体本身的即浮力大于气体本身的重力时，这时位压头为负值，即位压头是一种促使气体上升重力时，这时位压头为负值，即位压头是一种促使气体上升的能量。的能量。Pa 当管内气体的位压为当管内气体的位压为Hg，管外同高度上大气的位压为，管外同高度上大气的位压为Hg时时(为大气的密度为大气的密度)，则管内气体的位压头为：，则管内气体的位压头为：2、 静压和静压头静压和静压头 为了使位压头得正值，常将基准面取在气体的上面，因为基准为了使位压头得正值，常将基准面取在气体的上面，因为基准面以下之高度为负值。面以下之高度为负值。 气块的气块的f面积上受到其相邻气体的绝对压力面积上受到其相邻气体的绝对压力P的作用，而且的作用，而且f面面积上所受的总压力为积上所受的总压力为Pf。此总压力可能对气块作功而将气块压扁，。此总压力可能对气块作功而将气块压扁，所作的最大功为所作的最大功为Pfdl。事实上气块并未被压扁。这样，气块本身。事实上气块并未被压扁。这样，气块本身必然具有一个与外界可能作的最大功大小相等，方向相反的能量必然具有一个与外界可能作的最大功大小相等，方向相反的能量与之平衡。这个能量称为气体的压力能。因此，气块的压力能为：与之平衡。这个能量称为气体的压力能。因此，气块的压力能为：压力能=pfdl=pdVNmPa单位体积气体具有的压力能称为静压单位体积气体具有的压力能称为静压。 该气块亦即该气块亦即f面处气体的静压为：面处气体的静压为：结论：结论：f面处气体的静压在数值上即等于该处气体的绝对压力。面处气体的静压在数值上即等于该处气体的绝对压力。静压头静压头 ：管道内气体的静压与管道外同高度上大气的静压之差：管道内气体的静压与管道外同高度上大气的静压之差 值称为相对静压或简称静压头，用符号值称为相对静压或简称静压头，用符号h静表示，单静表示，单 位是位是Pa。 当管道内气体的静压为当管道内气体的静压为P，管道外同高度上大气的静压为，管道外同高度上大气的静压为P时，则管道内气体的静压头为：时，则管道内气体的静压头为：结论：结论：气体的静压头是单位体积气体所具有的相对静压，其数气体的静压头是单位体积气体所具有的相对静压，其数 值等于管道内外气体所具有的相对压力值等于管道内外气体所具有的相对压力(即表压力即表压力)。气体的静压与气体的绝对压力，二者的物理意义不同，二者在气体的静压与气体的绝对压力，二者的物理意义不同，二者在数值上相等，故常混用；同样，气体的静压头与气体的表压力，二数值上相等，故常混用；同样，气体的静压头与气体的表压力，二者的物理意义亦不同，但二者在数值上相等，故亦常混用。者的物理意义亦不同，但二者在数值上相等，故亦常混用。运动和静止的气体都具有静压头。运动和静止的气体都具有静压头。 3、动压和动压头、动压和动压头运动的物体都具有动能。气块也具有动能。当气块的质量、运动的物体都具有动能。气块也具有动能。当气块的质量、流速、密度分别为流速、密度分别为m、时时,则气块具有的动能为：则气块具有的动能为： 单位体积气体具有的动能称为动压。单位体积气体具有的动能称为动压。 因此，气块亦即因此，气块亦即f面处气面处气体的体的动压为：动压为：动压头：管道内气体的动压与管道外同高度上大气的动压之差值动压头：管道内气体的动压与管道外同高度上大气的动压之差值 称称 为相对动压或简称动压头，用符号为相对动压或简称动压头，用符号h动动表示，单位是表示，单位是 Pa。或或4、柏努利方程式、柏努利方程式柏努利方程式是研究气体在运动过程中的能量变化规律的方程式。柏努利方程式是研究气体在运动过程中的能量变化规律的方程式。它是能量守恒定律在气体力学中的具体应用。它是能量守恒定律在气体力学中的具体应用。a、单种气体的柏努利方程式、单种气体的柏努利方程式 理想气体的柏势利方程式理想气体的柏势利方程式理想气体在流动过程中没有摩擦力，所以在流动过程中不理想气体在流动过程中没有摩擦力，所以在流动过程中不产生能量损失，此为理想气体的特点。产生能量损失，此为理想气体的特点。如果图如果图115的管道内流动着密度的管道内流动着密度不变的稳定流动的理想不变的稳定流动的理想气体时，则：气体时，则： 假如气体是由图中的假如气体是由图中的I面流向图中的面流向图中的面，则对上式积面，则对上式积分可得：分可得：则得：则得：或或 上式说明：密度上式说明：密度不变的理想气体在稳定流动中各截面的单位不变的理想气体在稳定流动中各截面的单位体积气体的总能量体积气体的总能量(即静压、位压和动压之和即静压、位压和动压之和)相等。相等。(b) 实际气体的柏努利方程式实际气体的柏努利方程式 自然界的气体都属于实际气体。实际气体在流动时各层之间自然界的气体都属于实际气体。实际气体在流动时各层之间以及气体与管壁之间存在着摩擦力，因此，实际气体在流动过程以及气体与管壁之间存在着摩擦力，因此，实际气体在流动过程中有能量损失，如果用而中有能量损失，如果用而h失表示实际气体由任意截面失表示实际气体由任意截面I流至任意流至任意截面截面间的能量损失时，则截面间的能量损失时，则截面I处气体的总能量应等于截面处气体的总能量应等于截面处处气体的总能量加上两面间的能量损失气体的总能量加上两面间的能量损失h失。此为实际气体的一个失。此为实际气体的一个特点。特点。则稳定流动的不可压缩性的实际气体的柏努利方程式如下：则稳定流动的不可压缩性的实际气体的柏努利方程式如下：上式说明：低压气体在稳定流动中，前一截面的总压上式说明：低压气体在稳定流动中，前一截面的总压(静静压、压、 位压、动压之和位压、动压之和)等于后一截面的总压等于后一截面的总压(静压、位压、动压、静压、位压、动压、能量损失之和能量损失之和)。而各种能量间可相互转变，各种能量都可直接。而各种能量间可相互转变，各种能量都可直接或间接地消耗于能量损失，在能量转变和能量损失过程中静压或间接地消耗于能量损失，在能量转变和能量损失过程中静压不断变化。一般情况下，气体在流动过程中其静压都有所降低。不断变化。一般情况下，气体在流动过程中其静压都有所降低。 上式表明：气体在流动过程中各压头间可相互转变，各压头上式表明：气体在流动过程中各压头间可相互转变，各压头都可直接或间接地消耗于能量损失。在能量转变和能量损失过都可直接或间接地消耗于能量损失。在能量转变和能量损失过程中静压头发生变化。程中静压头发生变化。 实际生产中的多数气体都处于大气的包围之中，大气必然对实际生产中的多数气体都处于大气的包围之中，大气必然对气体产生影响。根据能量守恒定律可知：当稳定流动的不可压缩气体产生影响。根据能量守恒定律可知：当稳定流动的不可压缩性的低压气体由某截面性的低压气体由某截面I流向某截面流向某截面时，时， I截面的总压头应等于截面的总压头应等于截面的总压头加上截面的总压头加上I截面到截面到截面间的总能量损失，即：截面间的总能量损失，即：(b) 在大气作用下的柏努利方程式在大气作用下的柏努利方程式5、柏努利方程式和连续方程式应用实例、柏努利方程式和连续方程式应用实例 柏努利方程式和连续方程式联立可解决生产中的很多实际问柏努利方程式和连续方程式联立可解决生产中的很多实际问体，在冶金炉热工操作和炉子设计中有更广泛的应用。体，在冶金炉热工操作和炉子设计中有更广泛的应用。 例题例题110 有一水平热风管见图有一水平热风管见图118，已知截面，已知截面F1为为0.3m2， F2为为0.5m2。管内热空气的平均温度气为。管内热空气的平均温度气为300，空气空气0时的密度时的密度为为l.29gkg/m3，0时的流量时的流量Vo为为240m3/min。设截面。设截面F1处的静压头为处的静压头为3924Pa，若不计流动过程中的压头损失，试求，若不计流动过程中的压头损失，试求F2处的静处的静压头。压头。解解:就就F1与与F2两个截面，写出柏努利方程式两个截面，写出柏努利方程式根据题意，对于水平管道若忽略温度的变化，根据题意，对于水平管道若忽略温度的变化，则则h位位1= h位位2，此外，题假定，此外，题假定h失失=0，则上式可简化为：，则上式可简化为：其中：其中： h静静1已知为已知为3924Pa； h动动1按动压头公式计算：按动压头公式计算：ol在截面在截面F1处处0时的流速，由流量及截面积进行计算。时的流速，由流量及截面积进行计算。式中：式中：t热空气温度，已知为热空气温度，已知为300；o空气在空气在0时的密度，已知为时的密度，已知为1.29kg/m3；则截面则截面F2处的静压头为：处的静压头为：h静静2=3924+240-86.6=4077.4 Pa例题例题111 有一截面逐渐收缩的水平管道，如图所示，有气有一截面逐渐收缩的水平管道，如图所示，有气体在其中流动。已知气体的密度是体在其中流动。已知气体的密度是l.2kg/m3，气体表压力在，气体表压力在F1截截面处是面处是288.4Pa，F2截面处是截面处是96Pa。又知两断面的面积比。又知两断面的面积比，而，而F1为为0.lm2，求气体每小时流过的体积流量。，求气体每小时流过的体积流量。解解:根据题意，由于水平管道各截面上的位压头相等，故根据题意，由于水平管道各截面上的位压头相等，故F1、F2两截面之柏努利方程式为：两截面之柏努利方程式为：如果气体的密度如果气体的密度不变，根据连续方程式不变，根据连续方程式F11=F22得：得： 2=21由题已知由题已知P1=288.4Pa；P2=96pa；=1.2kg/m3，代入得：，代入得： 气体在气体在F1面处每小时流过的体积流量为：面处每小时流过的体积流量为：例题例题112 某炉子所用冷却水由水塔供应，其供应系统如图某炉子所用冷却水由水塔供应，其供应系统如图 所示，当水塔内的水面上部所示，当水塔内的水面上部(1点处点处)为为1工程大工程大气压；水管出口处气压；水管出口处(2点处点处)要求要求3工程大气压，工程大气压，水在管道内流动过程的总能量损失为水在管道内流动过程的总能量损失为h失失=44145Pa。计算由水管流出的水量为多少。计算由水管流出的水量为多少m3/h?解解:把基准面取在把基准面取在2点平面上，则点平面上，则1和和2两平面间的柏努利方程为：两平面间的柏努利方程为：其中其中10，所以，所以=1000kg/m3已知已知P1=98l00Pa；P2=294300Pa；h失失=44145Pa；H1=25m。水管出口处的流量为：水管出口处的流量为：换算为小时流量：换算为小时流量：V=0.0993600=357 m 3 / h 水管出水口处的流速为：水管出水口处的流速为：实际气体在流动过程中有能量损失，通常称为压头损失实际气体在流动过程中有能量损失，通常称为压头损失(也称为阻力损失也称为阻力损失)，用符号，用符号h失表示，单位是失表示，单位是Pa。 按其产生的原因不同，压头损失包括摩擦损失和局部损失按其产生的原因不同，压头损失包括摩擦损失和局部损失两类不同性质的损失。两类不同性质的损失。1.3 压头损失与气体输送压头损失与气体输送1、摩擦阻力损失、摩擦阻力损失实际气体在管道中流动时，气体内部及气体与管壁间都发生实际气体在管道中流动时，气体内部及气体与管壁间都发生摩擦而消耗能量。摩擦而消耗能量。 因摩擦作用而引起的能量损失称为摩擦阻力损失或称摩擦压头因摩擦作用而引起的能量损失称为摩擦阻力损失或称摩擦压头损失，常用符号损失，常用符号h摩摩表示。表示。式中式中: 气体摩擦阻力系数。气体摩擦阻力系数。L管道的长度，管道的长度，m；D管道的直径或当量直径，管道的直径或当量直径，m；或或Pa2、局部阻力损失、局部阻力损失气体在管道中流动时，由于管道形状改变气体在管道中流动时，由于管道形状改变(如突然扩张或突然如突然扩张或突然收缩收缩)和方向改变和方向改变(如如90转弯等转弯等)，气体分子间的相互碰撞和气体，气体分子间的相互碰撞和气体分子与气壁间的碰撞而引起的压头损失，称为局部阻力损失，常分子与气壁间的碰撞而引起的压头损失，称为局部阻力损失，常用符号用符号h局表示。其计算公式：局表示。其计算公式：Pa或：或： K局部阻力系数。局部阻力系数。式中：式中： A、突然扩张、突然扩张B、逐渐扩张、逐渐扩张C、突然收缩、突然收缩D、逐渐收缩、逐渐收缩E、气流改变方向、气流改变方向几种常见的管道形状和方向发生变化的例子几种常见的管道形状和方向发生变化的例子3、负位压头引起的压头损失、负位压头引起的压头损失 热气体的位压头是一种促使气体上升的力，当管道中的气体热气体的位压头是一种促使气体上升的力，当管道中的气体是由下向上流动时，位压头是使气体流动的一种动力。相反，当是由下向上流动时，位压头是使气体流动的一种动力。相反，当管道中的气体由上向下流动时，位压头就成了气体流动的一种阻管道中的气体由上向下流动时，位压头就成了气体流动的一种阻力，这时的位压头称负位压头，用符号力，这时的位压头称负位压头，用符号h位负位负表示。这部分阻力损表示。这部分阻力损失应加入总阻力损失中。失应加入总阻力损失中。 在实际生产中，气流经过由下向上和由上向下的管道长度相在实际生产中，气流经过由下向上和由上向下的管道长度相等，温度相差不多时，正负位压头的数值可以相互抵消，不必计等，温度相差不多时，正负位压头的数值可以相互抵消，不必计算位压头。如果不同则应分别计算，分别纳入动力和阻力项目内。算位压头。如果不同则应分别计算，分别纳入动力和阻力项目内。 必须指出：负位压头所引出的阻力，并不能转化为热，这必须指出：负位压头所引出的阻力，并不能转化为热，这与一般压头损失有本质区别，但必须有能量克服它，才能保证气与一般压头损失有本质区别，但必须有能量克服它，才能保证气体流动。体流动。 4、气体通过管束时的压头损失、气体通过管束时的压头损失当气体流过一组与气流前进方向垂直的管束时，其压头损失的大当气体流过一组与气流前进方向垂直的管束时，其压头损失的大小，根据实验可按下式计算：小，根据实验可按下式计算：Pa式中：式中： K整个管束的阻力系数。整个管束的阻力系数。当当Re5104时，对于直通式的管束排列时，对于直通式的管束排列(图图131)，之值为：之值为：式中：式中： n沿气流方向的管子排数沿气流方向的管子排数; s沿气流方向的管子中心距，沿气流方向的管子中心距，m； b通道截面上管子中心距，通道截面上管子中心距，m；、实验常数，实验常数，对于交错式的管束排列：对于交错式的管束排列：K错错=(0.70.8)K直直5、气体通过散料层的压头损失、气体通过散料层的压头损失块状或粒状固体物料堆积组成的物料层叫作散料层。块状或粒状固体物料堆积组成的物料层叫作散料层。 在散料层中，料块之间形成不规则形状的孔隙，气体通过料层在散料层中，料块之间形成不规则形状的孔隙，气体通过料层时发生摩擦和碰撞作用，因而消耗能量造成压头损失。时发生摩擦和碰撞作用，因而消耗能量造成压头损失。由于气流在散料层中的流动比较复杂，计算其压头损失时需要由于气流在散料层中的流动比较复杂，计算其压头损失时需要考虑很多影响因素。工程上为了便于计算，常采用下面较简单的实考虑很多影响因素。工程上为了便于计算，常采用下面较简单的实验公式：验公式：Pa式中：式中： H料层厚度，料层厚度，m； d料块平均直径，料块平均直径，m； o标准状态下，空截面气流速度，标准状态下，空截面气流速度，m/s； o标准状态下，气体的密度，标准状态下，气体的密度，kg/m3； 料层孔隙度，一般在料层孔隙度，一般在0.40.5间变动，间变动， 料料和和块块为为 料层料层(包括孔隙包括孔隙)与料块的密度；与料块的密度； 随物料及流动性质而变的系数。随物料及流动性质而变的系数。例题例题113 如图所示：计算烟气从连续加热炉尾部到烟囱底部如图所示：计算烟气从连续加热炉尾部到烟囱底部沿沿 途的压头损失途的压头损失(阻力阻力)。已知条件：。已知条件：(1)标准状态时烟气流量标准状态时烟气流量 Vo=1800m3/h；(2)烟气离炉时温度为烟气离炉时温度为650，烟气在烟道中每米，烟气在烟道中每米降温平均为降温平均为3；(3)标准状态时烟气密度标准状态时烟气密度o=l.3kg/m3，外界空气，外界空气密度密度(20时时) o=l.2kg/m3； (4)图中有关尺寸为：截面积图中有关尺寸为：截面积F1=0.4m2，F2=0.40.5m2， F3=0.5m2，H= 3.0m，L=20m，垂真，垂真烟道与水平烟道截面积相等，烟道与水平烟道截面积相等，(5)烟道闸门的平均开启度按烟道闸门的平均开启度按80%计。计。解解: (1) 炉尾炉尾90转弯的阻力转弯的阻力h1： Pa式中：式中：对于对于90直角转变，根据直角转变，根据由表由表1 6查得查得(取中间值取中间值)为为0.66；0对应于对应于K值，应为烟道内的流速，按烟气流量及烟道值，应为烟道内的流速，按烟气流量及烟道 截面积求出：截面积求出： ，为了便于以后的计算，先分别算出为了便于以后的计算，先分别算出h局局中的有关数值中的有关数值:将以上各有关数值代入上式中，可求出炉尾将以上各有关数值代入上式中，可求出炉尾90转弯的阻力为：转弯的阻力为：h1=0.664.063.88=9.06 Pa(2) 垂直烟道到水平烟道垂直烟道到水平烟道90转弯的阻力转弯的阻力h2，按按90直角转弯前后截面积比等于直角转弯前后截面积比等于1的条件，的条件， 由表由表16查得，查得，=1.20；t考虑烟道降温，烟气至烟道转弯处的温度应为：考虑烟道降温，烟气至烟道转弯处的温度应为：t=6503H=6503 3=641 将各数值代入将各数值代入h局局公式中，可求得：公式中，可求得：h2=1.24.063.35=16.32 Pa(3) 水平烟道至烟囱底水平烟道至烟囱底90转弯的阻力转弯的阻力h3根据根据，查得查得=0.85；t到烟囱底部转弯处，烟气温度降，其值为：到烟囱底部转弯处，烟气温度降，其值为：t=6413L=641320=581 o水平烟道内的流速，故水平烟道内的流速，故的值未变。的值未变。h3=0.854.06 3.13=10.8 Pa(4) 烟道内摩擦阻力烟道内摩擦阻力h摩摩式中：式中： 摩擦阻力系数，对于砖砌烟道，一般可取摩擦阻力系数，对于砖砌烟道，一般可取0.05； L烟道总长，烟道总长，L=3+20=23m； D当量直径，则：当量直径，则： 按前面计算按前面计算4.06； t烟道内烟气的平均温度，由烟气始末端的温度确定：烟道内烟气的平均温度，由烟气始末端的温度确定：将以上各值代入将以上各值代入h摩摩公式中可得：公式中可得：按局部阻力公式计算：按局部阻力公式计算：(5) 烟道闸门的阻力烟道闸门的阻力h闸闸根据烟道闸门开启度根据烟道闸门开启度80%的给定条件由附表的给定条件由附表1查得查得=0.62；t烟气流至闸门处的温度，设闸门安置于水平烟道的中部烟气流至闸门处的温度，设闸门安置于水平烟道的中部 t=641310=611 o按附表按附表1中规定取烟道内流速，故中规定取烟道内流速，故仍为仍为4.06。将各值代入局部阻力公式中，可求得：将各值代入局部阻力公式中，可求得：h闸闸=0.624.063.24=8.16 Pa(6)垂直烟道内负位压头阻力垂直烟道内负位压头阻力h负位负位垂直烟道内烟气下降，负位压头给它的阻力按位压头公式计算：垂直烟道内烟气下降，负位压头给它的阻力按位压头公式计算：h负位负位=Hg()式中：式中： H烟气下降的高度，题给为烟气下降的高度，题给为3m；外界空气的实际密度，已知为外界空气的实际密度，已知为1.2kg/m3； 垂直烟道内烟气的实际密度，垂直烟道内烟气的实际密度，其中：其中： t垂直烟道内烟气的平均温度，应等于垂直烟道内烟气的平均温度，应等于0烟气烟气0时的密度，已知为时的密度，已知为1.3；将各值代入将各值代入h负位负位 式中，可求得：式中，可求得：h负位负位=Hg()=3 9.81(1.20.386)=23.96 Pa 综合以上计算，烟气从炉尾到烟囱底部沿途的总阻力综合以上计算，烟气从炉尾到烟囱底部沿途的总阻力 (压头压头损失损失)为：为： h总总=9.06+16.32+10.8+34.2+8.16+28.96=102.5 Pa6、减少总压头损失的措施、减少总压头损失的措施 设备的压头损失愈大，则此设备系统的动力设备的能力需要设备的压头损失愈大，则此设备系统的动力设备的能力需要愈高，因此，减少设备的压头损失对生产有重要意义。愈高，因此，减少设备的压头损失对生产有重要意义。减少压头损失可采取如下措施：减少压头损失可采取如下措施：A、选取适当的流速、选取适当的流速 流速大时，流速大时，h失亦相应增大。流速小时会造成设备断面的过分失亦相应增大。流速小时会造成设备断面的过分增大，从而浪费较多的管道材料和占用较多的建筑空间。因此，增大，从而浪费较多的管道材料和占用较多的建筑空间。因此，设备内的流速应选得合适。设备内的流速应选得合适。 C、力求减少设备的局部变化、力求减少设备的局部变化 设备的局部变化愈小，则设备的局部损失愈少，因此，设备的局部变化愈小，则设备的局部损失愈少，因此，应在满足生产需要的条件下力求减少设备的局部变化。应在满足生产需要的条件下力求减少设备的局部变化。当必须有局部变化时，也应采用如下措施：当必须有局部变化时，也应采用如下措施：a 用断面的逐渐变化代替断面的突然变化可减少用断面的逐渐变化代替断面的突然变化可减少h局局。b 用圆滑转弯代替直转弯或用折转弯代替直转弯可减少用圆滑转弯代替直转弯或用折转弯代替直转弯可减少h局局。B、力求缩短设备长度、力求缩短设备长度 设备长度愈大，则设备长度愈大，则h摩摩愈大。因此，在满足生产需要下应愈大。因此，在满足生产需要下应力求缩短设备长度。顺便指出，使管壁光滑些可减少力求缩短设备长度。顺便指出，使管壁光滑些可减少h摩摩。 烟囱是应用较广泛的排烟设备。烟囱的基本作用在于使一定烟囱是应用较广泛的排烟设备。烟囱的基本作用在于使一定流量的烟气从烟道口经烟道流向烟囱底部并从烟囱内排向大气空流量的烟气从烟道口经烟道流向烟囱底部并从烟囱内排向大气空间。间。1.3.2 烟囱排烟烟囱排烟 要使燃烧产物从炉内排出并送到大气中去，必须克服气体要使燃烧产物从炉内排出并送到大气中去，必须克服气体流动时所受的一系列阻力，如局部阻力、摩擦阻力及烟气自身流动时所受的一系列阻力，如局部阻力、摩擦阻力及烟气自身的浮力等。烟囱所以能够克服这些阻力而将烟气排出炉外，是的浮力等。烟囱所以能够克服这些阻力而将烟气排出炉外，是因为烟囱底部热气体具有位压头，促使气体向上流动，这样烟因为烟囱底部热气体具有位压头，促使气体向上流动，这样烟囱底部就呈现负压，而炉尾烟气的压力比烟囱底部压力大，因囱底部就呈现负压，而炉尾烟气的压力比烟囱底部压力大，因而热的烟气会自炉尾流至烟囱底部，并经烟囱排至大气中。而热的烟气会自炉尾流至烟囱底部，并经烟囱排至大气中。1、烟囱的工作原理、烟囱的工作原理 烟囱底部的负压烟囱底部的负压(抽力抽力)是由烟囱中烟气的位压头所造成的。是由烟囱中烟气的位压头所造成的。但但烟烟囱囱中中烟烟气气的的位位压压头头并并不不是是全全部部成成为为有有用用的的抽抽力力。而而其其中中一一部部分分还还要要提提供供给给烟烟囱囱烟烟气气动动压压头头的的增增量量和和克克服服烟烟囱囱本本身身对对气气流流的的摩摩擦阻力，因此，烟囱的有效抽力为：擦阻力，因此，烟囱的有效抽力为：上上式式也也可可由由烟烟囱囱底底部部II和和顶顶部部两两端端面面间间的的柏柏努努利利方方程程式得到式得到(参看图参看图135)。将基准面取在。将基准面取在II面上，则：面上，则：移项并将移项并将h摩摩代入得：代入得： 因因此此，烟烟囱囱的的抽抽力力主主要要取取决决于于位位压压头头的的大大小小，即即主主要要取取决决于于烟烟囱囱高高度度，烟烟气气温温度度和和空空气气温温度度。烟烟囱囱愈愈高高，烟烟气气温温度度愈愈高高时时，则则抽抽力力愈愈大大，当当空空气气温温度度愈愈高高时时，减减小小，抽抽力力则则减减小小。当当其其他他条条件件不不变变时时，夏夏季季烟烟囱囱的的抽抽力力比比冬冬季季小小些些，故故在在设设计计烟烟囱囱高高度度时时，应根据当地夏季平均最高温度进行计算。应根据当地夏季平均最高温度进行计算。2、烟囱计算、烟囱计算烟囱计算主要是确定烟囱直径和烟囱高度。烟囱计算主要是确定烟囱直径和烟囱高度。A、烟囱直径的确定烟囱直径的确定应保证烟气出口时具有一定的动压头，以免气流出口速度应保证烟气出口时具有一定的动压头，以免气流出口速度太小时，外面的空气倒流进烟囱，妨碍烟囱工作。其直径可根据连太小时，外面的空气倒流进烟囱，妨碍烟囱工作。其直径可根据连续方程式求出，即：续方程式求出，即： m a、 顶部出口直径顶部出口直径(d2)式中式中：d d2 2烟囱顶部出口直径，烟囱顶部出口直径，m；Vo 0时的烟气量，时的烟气量，m3/s，由燃烧计算及物料由燃烧计算及物料 平衡计算确定；平衡计算确定；02 0时烟囱顶部的烟气出口速度，时烟囱顶部的烟气出口速度，m/s， 一般取一般取2.53.0m/s。 速度太大时，烟囱内的压头速度太大时，烟囱内的压头 损失大；速度过小时，出口动压头小，会出现损失大；速度过小时，出口动压头小，会出现 “倒风倒风”现象。现象。 对对于于铁铁烟烟囱囱，作作成成直直筒筒形形较较方方便便，上上下下直直径径相相同同。对对于于砖砖砌砌和和混混凝凝土土烟烟囱囱，为为了了稳稳定定和和坚坚固固，都都作作成成下下大大上上小小，底底部部直直径径一一般取顶部直径的般取顶部直径的1.5倍，即倍，即d1=l.5d2。b、 底部直径底部直径(d1)B、烟囱高度的确定烟囱高度的确定而而 h负位负位=Hg()则：则： 式中式中:H烟囱高度，烟囱高度，m。欲求出高度欲求出高度H，必须先求出等式右边各项。，必须先求出等式右边各项。a、确定烟囱的抽力、确定烟囱的抽力h抽抽 烟囱底部的抽力应能克服以下各种阻力损失，即烟气从炉内烟囱底部的抽力应能克服以下各种阻力损失，即烟气从炉内流至烟囱底部所受的全部阻力，包括：流至烟囱底部所受的全部阻力，包括：(1) 当气体向下流动时，要克服位压头的作用；当气体向下流动时，要克服位压头的作用；(2) 满足动压头的增量；满足动压头的增量；(3) 克服沿程各种局部阻力和摩擦阻力。克服沿程各种局部阻力和摩擦阻力。把这几部分阻力加起来以后的数值是把这几部分阻力加起来以后的数值是h抽抽的最小值。为了适的最小值。为了适应炉子工作强化时，燃料用量增加所引起的烟气量增加以及其他应炉子工作强化时，燃料用量增加所引起的烟气量增加以及其他一些原因一些原因(如烟道局部堵塞如烟道局部堵塞)，烟囱底部的抽力应比上述各项计算，烟囱底部的抽力应比上述各项计算所得总阻力损失所得总阻力损失h失失大大2030%，即：，即：h抽抽=(l.21.3) h失失 计算时必须分段进行，而且取平均温度。平均温度取该计算时必须分段进行，而且取平均温度。平均温度取该段烟道的最高温度和最低温度的算术平均值，即：段烟道的最高温度和最低温度的算术平均值，即：b、的计算的计算烟囱中的烟囱中的按下式计算：按下式计算：式中：式中： 00时的烟气密度，时的烟气密度，kg/m3;d均均烟囱的平均直径，烟囱的平均直径，m，0均均烟囱内的烟气平均速度烟囱内的烟气平均速度(0)， m/s，f均均烟囱平均截面积，烟囱平均截面积，m2，t烟气平均温度，烟气平均温度，；t1烟囱底部烟气温度，烟囱底部烟气温度，；t2烟囱顶部烟气的温度，烟囱顶部烟气的温度，t2=t1CH(H为烟囱高度，为烟囱高度， C为温度降落系数，为温度降落系数，/m， 一般对砖砌烟囱为一般对砖砌烟囱为ll.5/m； 铁烟囱为铁烟囱为34/m)；H烟囱高度，烟囱高度，m，计算时烟囱高度还是未知数，计算时烟囱高度还是未知数， 可先用图可先用图136查出，或按经验公式查出，或按经验公式H=(2530)d2先先 行估算。行估算。c、计算动压头增量、计算动压头增量式中：式中：01烟囱底部烟气流速烟囱底部烟气流速(0时时)；02烟囱顶部烟气流速烟囱顶部烟气流速(0时时)。d、计算、计算(-)式中式中: 00时空气的密度，时空气的密度，kg/m3； t夏夏当地夏季的平均最高温度，当地夏季的平均最高温度，。 式中：式中： 0 0时烟气的密度，时烟气的密度，kg/m3； t均均烟气的平均温度，烟气的平均温度，。 根据以上计算所得各项数据，就可求出烟囱高度根据以上计算所得各项数据，就可求出烟囱高度H。 若求出的若求出的H值与估算的值与估算的H值相差较大，则应重新假设值相差较大，则应重新假设H，另行，另行计算，直至两者相差小于计算，直至两者相差小于6%为止。为止。 在设计烟囱时，还必须注意下列几点：在设计烟囱时，还必须注意下列几点：(1)考虑环境卫生和对生物的影响。如果烟囱附近有房屋考虑环境卫生和对生物的影响。如果烟囱附近有房屋(100米米半半 径以内径以内)，烟囱应高于周围建筑物，烟囱应高于周围建筑物5米以上。如果烟气对生物米以上。如果烟气对生物 有危害性，则除增高烟囱外，还应尽量采取净化措施。有危害性，则除增高烟囱外，还应尽量采取净化措施。(2)为了建筑的方便，烟囱的出口直径应不小于为了建筑的方便，烟囱的出口直径应不小于800mm。例题例题114 某炉子体系的总阻力为某炉子体系的总阻力为265Pa；烟气流量；烟气流量Vo为为 1.8m3/s；烟气密度；烟气密度o为为1.3kg/m3；烟气至烟囱底；烟气至烟囱底 部时的温度为部时的温度为750；空气的平均温度为；空气的平均温度为20；烟囱；烟囱 之备用能力为之备用能力为20%。试计算烟囱的高度和直径。试计算烟囱的高度和直径。解：解：(1) 计算烟囱底部之抽力：计算烟囱底部之抽力： h抽抽=1.2h失失=1.2265=318 Pa (2) 计算烟囱中的动压头增量：计算烟囱中的动压头增量： 求烟囱出口内径求烟囱出口内径d2和底部内径和底部内径d1，取出口速度，取出口速度 02=2m/s，则出口断面：，则出口断面：烟囱出口内径：烟囱出口内径： 烟囱底部内径：烟囱底部内径： d1=1.5d2=1.51.07=1.61 m 求出口烟气温度求出口烟气温度t2：设烟囱高度设烟囱高度H=40米，烟气在烟囱中之温度降为米，烟气在烟囱中之温度降为1.5/m，则则 t2=t11.540=75060=690 求出口烟气动压头求出口烟气动压头h动动2：求烟囱底部烟气动压头求烟囱底部烟气动压头h动动1：底部断面：底部断面： 则流速则流速01： 烟囱中动压头增量：烟囱中动压头增量：(3) 烟囱中的摩擦阻力：烟囱中的摩擦阻力：烟气在烟囱中的平均温度：烟气在烟囱中的平均温度： 烟囱平均内径：烟囱平均内径： 烟气在烟囱中的平均速度：烟气在烟囱中的平均速度：(4) 烟囱高度：烟囱高度：