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静压头
1.什么是压头?
气体在窑炉系统中之所以能够流动,主要是由于其温度和速度所造成的重度差和压力差,从而使气体具有了能量(公斤·米)。
由于窑炉内外两种气体互相贯通,互相作用,而内外两种气体的重度又不相同,因而一般不研究窑内气体的绝对能量,只研究窑内气体与窑外气体之间的相对能量。
这样,在窑炉系统中,所谓压头,就是指窑炉内单位体积气体所具有的能量与窑外同体积气体所具有的能量之差,也就是窑炉内气体所具有的相对能量。
这里应该注意:
压头是能量而非压力。
在数值上,二者相同。
但压头的单位是公斤·米/米3,压力的单位是公斤/米2,可见,在本质上迥然相异。
在工程计算中,压头的单位往往用毫米水柱表示。
2.什么是几何压头?
几何压头是指窑炉内单位体积(1立方米)气体比窑外同体积冷空气多具有的位能,以hπ表示。
如图所示,设窑内高为H米,窑内热气体重度为γ气,窑外冷空气重度为γ空。
那么,在窑内底面上每1米2承受的气体重量为:
气体体积×重度=面积×高度×重度=1×H×γ气=Hγ气(公斤/米3。
)
窑外同水平面上每l米2承受高度为H米的空气重量为Hγ空(公斤/米3)。
因为γ空>γ气,所以窑外比窑内同一水平面上受的压强大些,相差的数值为:
Hγ空-Hγ气=H(γ空-γ气)
这个差值就是几何压头,或称为窑内位压,可写成如下公式:
hπ=H(γ空-γ气)
几何压头的大小不能直接测量,要按照上述公式进行计算。
3.几何压头对气体流动的方向有何影响?
几何压头的产生,主要是由于窑外的冷空气比窑内热气体的重度大,这个重度差,使窑内热气体受到一个浮力,如果窑顶有孔,热气体就会被压出。
因此,几何压头使气体流动的方向总是向上的。
正如水往低处流一样,热气体、火焰等总是自然向上流动的,原因就是几何压头的影响。
在倒焰窑中,火焰上行至窑顶后,要自上而下倒行进入烟道。
在这个倒行的过程中,几何压头就成为流动的阻力,要用烟囱或排烟机来克服这个几何压头。
窑炉系统中,几何压头的存在是不可避免的。
几何压头的存在,使冷热气体分层,增大上下温差;这对制品的烧成是不利的。
因此,要采取很多措施来减少这个几何压头的影响,例如,在隧道窑预热带使用搅拌气幕,窑头设置烟气循环等。
4.什么是静压头?
它对气流方向有什么影响?
所谓静压头,就是指窑内1立方米热气体比窰外同一水平面上1立方米空气多具有的压力能,以表示。
实际上,静压头常以窑内热气体的压力与窑外冷空气压力之差表示,即:
h静=p气—p空
静压头对气流方向的影响,就是使气体从压力大的地方流向压力小的地方。
从窑内和窑外来说,如果窑内的压力大于窑外的压力,就会有热气体向外冒出。
这种状况,在窑炉操作上称为正压。
如果窑内压力小于窑外压力,就会有冷空气侵入窑内。
这种状况,在窑炉操作上称为负压。
如果窑内压力等于窑外压力,那么,既无热气体冒出,也无冷气体侵入。
这种状况,在窑炉操作上称为零压。
隧道窑内的压力分布,以油窑说,预热带一般为负压,烧成带为微正压,预热带和烧成带之间为零压,冷却带前端的正压值大于烧成带的正压值。
这样,从冷却带到预热带,压力由大到小,便于气体由冷却带向预热带流动,经排烟孔、烟道,由烟囱排出。
这种压力分布,就是人们利用了静压头对气流方向的影响这一原理而设计、控制的。
5.静压头如何测量?
静压头可以用压力计直接测量,方法如下:
如图所示,将压力计的一端与窑道内相连,管口截面平行于气流方向,压力计的另一端则与大气相通。
如窑内压力大于窑外压力,则压力计与窑内相连的支管内的液柱下降、另一支管内的液柱上升,这时,两个液柱端面之词的垂直高度,即表示出静压头的大小。
6.什么叫动压头?
窑内1立方米气体流动时所具有的动能,即称为动压头。
以h动表示。
如用公式表示,就可以写成:
式中:
h动——气体流动耐的动压头,毫米水柱;
ω——气体流动的速度,米/秒;
γ——气体的重度,公斤/米3;
g——重力加速度,米/秒2。
7.动压头如何测量?
动压头可以用毕托管等压力计进行测量。
如图所示,
使压力计的一端插入管道或窑内,正对着气流的方向,作用在这个支管液柱上的是气体流动时的全压,即静压加动压。
压力计的另一端与管道或窑内壁相平,管端截面平行于气流方向,作用在这个支管内液柱上的只是气体的静压。
因此,压力计两支管液柱端面的垂直高度差,即表示出动压的大小,即:
h全-h静=h动+h静-h静=h动
8.压头能否转变?
如何转变?
上面讲的几何压头,静压头、动压头等都是可以互相转变的。
在静止的流体中,只有几何压头与静压头,而且几何压头与静压头之和保持一个常数。
当流体流动时,流体不仅有几何压头、静压头,而且有了动压头。
增加的动压头,是由静压头转变而来的。
在流体流动的过程中,如果没有阻力损失压头,或者略去不计,那么,几何压头、静压头、动压头的总和将保持为一个常数。
它们之间可以由一种形态变为另一种形态,但其总和却保持不变。
这是能量守恒定律的一种表现,下面举例说明。
如图所示,设热气体从断面1进入容器作稳定流动,经断面2,至断面3排出。
已知γ空=1.2公斤/立方米,γ气=0.8公斤/立方米。
H=3米。
试求断面1、2、3处的各个压头及流速(阻力损失压头不计)。
解:
以断面2作为基准面:
(1kg/m2=1mm水柱)
(1)对于断面1:
由于断面1与大气相通,热气体的静压头可视为等于空气的静压头,即:
P=P空,
h静=P-P空=0
又由于断面1面积较大,根据流体连续方程,此处的流速可近似地看作零,即ω1=0
所以,
(2)对于断面2:
由于基准面取在这里,故H=0,
又由于热气体到了这里,就向右运动,故在断面2处,热气体向上运动的速度可近似地看作零,即ω2=0。
根据能量守恒定律,断面2处热气体的总压头应该等于断面1处的总压头。
断面1处的总压头等于1.2公斤/立方米,而断面2处的几何压头,动压头均为零,故:
h静2=h总2-(hn2+h动2)=1.2-0=1.2(公斤/平方米)
(3)对于断面3:
由于断面3基本上在断面2的高度,而断面2为基准面,故断面3的高度H也视为零。
所以h几3=0
又由于断面3与大气相通,静压头可视为零,即h静3=0根据能量守恒定律,断面3处热气体的总压头应与断面1、2处的总压头相等,即等于1.2公斤/米2,
把计算出来的各断面处的压头值列表如下:
从这个例子可以看出,在总压头不变的情况下,几何压头可以转变为静压头,静压头又可转变为动压头。
事实也是这样,当气体作稳定流动时,几何压头、静压头、动压头三者之间可以互相转变,而且这种转变是可逆的。
在气体流动过程中,由于气体与通道壁及气体内部摩擦或因管径变化、管道拐弯等引起的阻力损失,即一部分动压头转变为压头损失,这一部分损失的压头(能量)则是不可逆的。
压头的转变可以简单归纳、表示如下:
9.什么叫摩擦阻力损失?
如何计算?
流体在管道内或窑炉系统中流动时,通道内壁与流体的摩擦以及由此而产生的流体内部的摩擦,造成了通道对流体流动的摩擦阻力。
而流体为了保持它根据流体连续方程所决定的流速,就必然要消耗一部分能量来克服这种摩擦阻力,这一部分能量转变成热能损耗掉了。
这一部分能量的损失,称为摩擦阻力损失压头或简称为摩擦阻力,常用符号h摩表示。
计算这种摩擦阻力的公式是:
这里应该说明,如果通道截面不是圆形,那么,就应该用当量直径去代替通道直径。
当量直径(d当)的计算公式如下:
从摩擦阻力损失的计算公式,可以看出,流体在通道内流动时,能量损失的多少与摩擦阻力系数、流体的动能、通道的长度三者成正比,而与通道的直径成反比。
也就是说,摩擦阻力系数及流体的动能愈大,通道愈长,则摩擦阻力损失愈大;反之则摩擦阻力损失愈小。
10.什么叫局部阻力损失?
如何计算?
流体流动时,如果通道发生局部的变形,例如,拐弯、管径增大或缩小、分支、合流、设有障碍物等等,都会使流体在此局部与通道壁产生冲击,流体各质点相互之闻也会产生冲击,这就必然要造成一部分能量损失,也就是说,必然要消耗一部分动能来克服这个局部所产生的阻力。
这部分损失的动能,我们就称之为局部阻力损失,或简称为局部阻力用符号h局表示。
局部阻力损失可按下式进行计算。
由上式可以知道,局部阻力损失与局部阻力系数、流体的动能成正比,即局部阻力系数愈大,流体动能愈大,局部阻力损失也愈大。
11.什么叫柏努利方程?
柏努利方程式是按照能量守恒定律来说明流体流动时各种压头互相转变的一种方程式。
如图所示,当流体在管道或窑炉系统中由1-1截面稳定流动到2-2截面时,根据能量守恒定律,流体在截面1-l上的几何压头、静压头、动压头之和应该等于截面2-2上的几何压头、静压头、动压头以及阻力损失之和。
如以1米3流体为基准,用式子表示,就可写成:
这两个式子是柏努利方程的一般形式,适用于气体和液体。
如果要将柏努利方程式应用于窑炉,就得把它的形式改变一下。
现在,我们来观察一下窑外1—1面、2—2面处空气的情况。
从基准面与1-1面来说,有:
(5)式就是应用予窑炉的柏努利方程的形式。
它的物理意义是:
气体在窑炉系统中流动时,它的几何压头、静压头、动压头与阻力损失压头之和为一个常数,可用下图来说明柏努利方程。
设气体自下而上流动,在流动过程中,由于是直管道,ω可视为不变,故动压头也不变。
几何压头与阻力损失压头则随着高度的增加而增加。
静压头则受前三种压头之和的制约,即等于总压头减去三者之和。
从图中可以看出,静压头随着高度的增加而减少。
也就是说,当气体自下而上运动时,直管下部的压力大于上部的压力。
然而,不管怎样,在气体自下而上流动的过程中,在每一个截面上,气体的几何压头、静压头、动压头、阻力损失压头之和却等于一个常数c,这也就是柏努利方程的含义。
12.烟囱为什么会有抽力?
简单说来,烟囱的抽力是由热气体所具有的几何压头而产生的。
所谓抽力,就是指烟囱底部的烟气与窑外空气的压力差△P的绝对值。
如图所示,整个窑炉,烟道及烟囱可以看作是一个连通器,流体的压力是可以传递的。
在这个连通系统中,正向的力,也就是使空气进入燃烧室、经过窑内通道再由烟囱排出的力是Hγ空,反向的力是Hγ气。
烟囱口截面以上的大气压力同时作用在这个连通系统的两支上,可以认为互相抵消。
因此,推动气体流动的力(F推)可以表示如下:
F推:
F正-F反=Hγ空-Hγ气=H(γ空-γ气)
式中:
H为烟囱高度,米;
γ空为窑外空气的重度,公斤/米3;
γ气为烟囱内烟气的重度,公斤/米3。
由于γ空>γ气,所以,F推为正值。
由于F推的作用,气体就不能静止不动,而会源源不断地由燃烧室进入,经窑内通道,再经烟囱排出,这就是烟囱具有抽力的道理。
13.影响烟囱抽力的因素有哪些?
从上题中谈到的烟囱抽力(h抽)的公式
h抽=H(γ空—γ气)
可以知道,影响烟囱抽力的因素主要是三个,即H、γ空、γ气。
(1)高度H的影响:
由公式可知,H愈大,也即烟囱愈高,抽力愈大;H愈小,也即烟囱愈低,抽力愈小。
(2)空气重度的影响:
由公式可知,在H、γ气不变的情况下,空气比重愈大,亦即外界空气温度愈低,抽力愈大。
同是一个烟囱,在闸板开度一样的情况下,冬天的抽力比夏天大,晚上的抽力比白天大,这就是因为冬天、晚上外界空气的温度比夏天、白天低,γ空比较大。
(3)烟气温度的影响:
由公式可知,在H、γ空不变的情况下,γ气愈大,亦即烟气温度愈低,抽力愈小;γ气愈小,亦即烟气温度愈高,抽力愈大。
新窑投产时,烟囱抽力很小,工人师傅常常在烟囱底部烧一把火,以提高烟囱内气体的温度,借以加大抽力,就是这个道理。
在烟囱设计时,要全面考虑上述因素对抽力的影响,不能只抓一点,不及其余。
例如,烟囱愈高,抽力固然愈大,但也不能过高。
因为烟囱愈高,基础愈要求坚固,砌筑质量也要随之提高,造价也就因而增大。
再如,烟气温度愈高,抽力固然愈大,但随着烟气带走的热量也就愈多,增加了热能的耗损,使窑炉热效率降低。
周围空气的温度是不以人的意志为转移的,但在烟囱设计时,应该考虑该地区的气候,按该地区夏天最高气温来确定空气比重。
所以,在烟囱设计时,应该综合考虑各方面的因素,权衡利弊,合理设计。
14.如何计算烟囱的口径?
烟囱口径的计算一般采取经验数据或经验公式:
(1)从烟囱断面积与炉栅面积的关系,来求出口径:
烟囱断面积=0.12-0.24炉栅总面积求出了断面积,口径就可以求出来了:
(2)烟囱断面积计算的经验公式:
式中F——烟囱底端断面积,米2;
H——烟囱高度,米;
B——燃料消耗量,公斤/小时。
计算时,可不代入单位。
烟囱底端断面积求出来了,其直径可知。
再根据底端直径约为出口端直径的1.5~2倍,可以算出出口端的直径。
(3)烟囱断面积计算公式:
式中V烟——每小时由烟囱口排出的烟气体积(米3/小时);
t0——烟囱口的烟气温度,℃;
ω——烟囱口的烟气流速,米/秒。
(4)从燃烧计算得知烟气流量,再确定一个烟气出口流速(一般取3~4米/秒),即可以算出烟囱的底径,再根据D底=1.5~2D口,确定口径:
15.如何计算烟囱的高度?
烟囱高度的计算原则是:
使烟囱产生一个几何压头(抽力)来克服从窑内零压面起,一直到烟囱出口的全部阻力。
这些阻力包括料垛阻力,烟气由窑通道进入排烟孔的局部阻力,支烟道和主烟道的摩擦阻力和局部阻力,烟囱本身的摩擦阻力以及在烟囱内产生的动压(如图),用公式表示出来就是:
例已知烟囱底部阻力为17毫米水柱,烟气流量为4标米3/秒,烟气流速为3标米/秒,烟气在烟囱中的平均温度为205℃,夏季最高平均温度为30℃,空气及烟气重度为1.3公斤/标米3,用砖砌筑,试计算烟囱高度。
解:
(1)求烟囱平均直径d平:
先计算实际情况下烟气的流量及流速:
(2)求烟囱摩擦阻力h囱摩
先求平均流速:
(3)求烟气在烟囱内的动压h囱动:
(4)求烟囱要克服的总阻力h总:
h总=17+0.38+0.3=17.68(毫米水柱)
(5)求烟囱高度:
先求实际情况下空气的重度γ空实:
γ空实=
(公斤/立方米)
所以,烟囱的高度H为:
(米)
取安全系数为1.2,烟囱实际高度应为:
H=41×1.2=49.2(米)
16.风机选型
风机选型的主要依据是使用部位所需要的风压和风量。
也就是说,先算出风压和风量,然后照产品目录选型。
如果是选择排烟风机,就要根据每小时的燃料消耗量,燃烧所需的空气量来算出每小时产生的烟气量,从而确定风机的风量。
再根据阻力计算来确定风压。
例:
某隧道窑每小时产生的烟气量为1800标米3/小时,料垛阻力为4.5毫米水柱,由隧道进排烟孔直至排烟机总的局部阻力为3.6毫米水柱,总的摩擦阻力为0.64毫米水柱,由排烟孔下降至水平支烟道的位压为0.98毫米水柱,烟气在撵烟机管道中的平均温度为200℃,烟气比重为1.30公斤/标米3,试选择排烟风机。
解:
参考上图,排烟机所要克服的窑炉总阻力为:
h料+h局+h摩+h位=4.5+3.6+0.64+0.98=9.72(毫米水柱)
烟气的实际重度为:
假定用管径d=300毫米的管道做排烟机管道,那么,烟气在管道内的流速为:
烟气由总烟道进排烟机管道,有一个突然收缩,一个900急转弯,排烟机管道本身还有一个900急转弯。
查表可知突然收缩的局部阻力系数最大为0.5,900急转弯的局豁阻力系数为2,这三个局部阻力的总和为:
在管道中的动压力:
排烟机所要克服的全部阻力为:
9.72+23.4+2.08+5.2=40.4(毫米水柱)
采用安全系数1.3,就可以计算出排烟机的全风压为:
H=40.4*1.3=53毫米水柱
如果产品目录的数据是按照20摄氏度、760毫米汞柱制定的,那么,还要将上面算出的全风压换算至20摄氏度的情况,即:
风机的风量按实际情况计算,再乘上安全系数:
然后以算出的风压、风量的数据按照机械产品目录选型。
17.风机相似性
同是一台风机,改变了转速,风量、风压、功率也都要随之改变,用式子表示就是:
式中Q——风量,米3/分;
h——风压,毫米水柱;
N——消耗功率,千瓦;
n——转数,转/分。
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