第一章氣體力學(xué)在窯爐中的應(yīng)用氣體力學(xué)是從宏觀角度研究氣體平衡和流動規(guī)律的一門學(xué)科。硅酸鹽工業(yè)窯爐中的氣體有多種．而主要的是煙氣和空氣。它們起著載熱體、反應(yīng)劑、霧化劑等的作用。綜觀整個窯爐工作過程，從燃料的氣化、霧化、燃燒，生成的高溫?zé)煔夥懦鰺崃坑靡匀廴?，燃燒物料或加熱制品，余熱回收直到煙氣排出，自始至終都離不開氣體流動。本章論述的中心問題就是氣體流動。

氣體流動與窯爐的操作和設(shè)計有密切關(guān)系：如氣體的流動狀態(tài)、速度和方向?qū)峤粨Q過程有影響；氣流的混合對燃料燃燒過程有影響；氣流的分布對爐溫、爐壓有影響等等。

第1節(jié)氣體力學(xué)基礎(chǔ)一、氣體的物理屬性（一）理想氣體的物理屬性窯爐系統(tǒng)中的氣體主要是空氣和煙氣，其特點是低壓、常溫或高溫，可近似作理想氣體，其壓強、溫度和密度三個熱力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系服從理想氣體狀態(tài)方程：（二）氣體的膨脹性和收縮性

氣體的膨脹系數(shù)和壓縮系數(shù)的大小與膨脹或壓縮過程的特性有關(guān)，還與熱量傳遞的多少有關(guān)。工程上也常用的倒數(shù)，稱為氣體的體積彈性模量E來表示壓縮性，即式中——氣體的比容二、氣體動力學(xué)基本方程式涉及的主要物理量有四個：三個熱力學(xué)標(biāo)量參數(shù)——壓強P溫度T和密度；以及點速度矢量。將這些物理量聯(lián)系起來，構(gòu)成封閉方程組的方程式有四個，它們是：1.根據(jù)質(zhì)量守恒原理的質(zhì)量方程；2.根據(jù)能量守恒原理的能量方程；3.根據(jù)牛頓第二定律的動量方程；4.體現(xiàn)氣體性質(zhì)的狀態(tài)方程。(一）質(zhì)量方程——連續(xù)性方程在流場中任意選定一固定空間V作為控制體，其界面F為控制面，如圖1—1所示。設(shè)在時刻控制體內(nèi)的氣體具有一定的質(zhì)量。若在

時間內(nèi)通過控制面流出控制體的氣體質(zhì)量大于流入控制體的質(zhì)量，則控制體內(nèi)氣體的質(zhì)量將減少。根據(jù)質(zhì)量守恒原理可表述為：（單位時間內(nèi)通過控制面的氣體凈流出質(zhì)量)+(單位時間控制體內(nèi)氣體質(zhì)量變化)=0其數(shù)學(xué)表達(dá)式為質(zhì)量方程積分形式1、質(zhì)量方程的微分形式按高斯定理：代入上式得質(zhì)量方程的微分形式：對具有一個入口斷面F1和一個出口斷面F2的穩(wěn)定態(tài)管流．如圖I—2所示。此時(1—12)式的第二項為零，且氣體密度僅與路程有關(guān)而與斷面無關(guān)，別(1—12)式變?yōu)椋?.穩(wěn)定態(tài)一元流(管流)質(zhì)量方程式中：w1和w2分別是兩斷面上的平均流速；氣體的質(zhì)量流量對不可壓縮氣體，密度為常數(shù)，則V——氣體的體積流量，（二）穩(wěn)定態(tài)一元流(管流)能量方程

圖1-3是具有一個入口斷面F1和一個出口斷面F2的管流，以此二斷面及管內(nèi)壁而構(gòu)成的控制體為系統(tǒng)，令Q為外界在單位時間內(nèi)加給系統(tǒng)內(nèi)氣體的熱量J/s，Lm為系統(tǒng)內(nèi)氣體對外界做的機械功；系統(tǒng)內(nèi)單位質(zhì)量氣體的能量包括位能()，動能()

。內(nèi)能(e)和壓力能()

根據(jù)能量守恒原理：在穩(wěn)定態(tài)時單位時間傳入系統(tǒng)的熱量應(yīng)等于系統(tǒng)內(nèi)氣體能量的增量與系統(tǒng)對外作出的功率之和，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：對穩(wěn)定態(tài)一元流動，氣體的熱力學(xué)參數(shù)在斷面上是均勻的，故上式可寫成穩(wěn)定態(tài)流動，，(1—20)式二邊同除以可得單位質(zhì)量氣體的能量方程——亦稱為熱力學(xué)第一定律：若氣體未對外做機械功并為絕熱流動，即當(dāng)q=0及時，能量方程為或上述能量方程的引出、并未說明氣體的性質(zhì)及過程的特點，所以不論是完全氣體(或稱理想氣體)或?qū)嶋H氣體，可逆過程或不可逆過程，可壓縮氣體或不可壓縮氣體，都是適用的。對可壓縮氣體的高速流動，其位能的變化與其它各項能量相比通常很小，故可省略去，于是能量方程可寫為或?qū)θ我粩嗝嬗校焊G爐系統(tǒng)氣體流動的特點是壓強變化不大，但溫度變化較大，氣體的密度變化也較大，因而屬于可壓縮氣體流動。但若采用分段處理的方法，使每段氣體的溫度變化不太大，并將該段氣體平均溫度下的密度近似視為常數(shù)，即認(rèn)為氣體在平均溫度下作等溫流動，則可用伯努利方程近似取代(1—22)式，令，則(1—22)式變?yōu)閷嶋H上窯爐內(nèi)氣體的流動是在有傳熱情況下進行的，并不是絕熱可逆過程，所以伯努利方式僅是近似表達(dá)式，近似的程度取決于傳熱情況及可逆程度。氣體作等溫流動時沿途有阻力而造成能量損失，此項損失用表示，于是伯努利方程可寫為；窯爐系統(tǒng)是和大氣連通的，爐內(nèi)的熱氣體受到大氣浮力的影響。對窯妒外的空氣相應(yīng)個斷面寫出靜力學(xué)方程：上述二式相減得：上述二式均稱為二流體伯努利方程式，其中第一項為窯內(nèi)氣體的表壓強，稱為靜壓頭；第二項是窯內(nèi)氣體受到的重力與浮力之和的位能，稱為幾何壓頭；第三項是窯內(nèi)氣體的動能稱為動壓頭。在應(yīng)用二流體伯努利方程式時應(yīng)注意參考基準(zhǔn)面的選取。應(yīng)用(1—27)式時，基準(zhǔn)面應(yīng)取在氣體斷面的下方，而用(1—28)式時應(yīng)將基準(zhǔn)面取在氣體斷面的上方；二者均可表明二流體幾何壓頭的特性：上部斷面的幾何壓頭小于下部斷面的幾何壓頭而靜壓頭則相反。1-271-28為書寫方便起見，可將二流體伯努利方程簡寫為:二流體伯努利方程中的空氣密度和大氣壓強均是按不可壓縮氣體考慮的，高程變化不大時其誤差不大，當(dāng)高程變化較大時，引起的誤差也隨之增大。空氣密度及大氣壓強隨高程變他的關(guān)系可用國際標(biāo)準(zhǔn)大氣對流層(在海拔11km范圍內(nèi))壓強公式計算：一般，局部阻力損失遠(yuǎn)大于摩擦阻力損失。所以，減少壓頭損失必須從減小局部阻力著手欲減小局部阻力，首先要分析系統(tǒng)內(nèi)的局部阻力性質(zhì)及產(chǎn)生原因，然后有針對性地采取必要的措施。減少局部阻力的途徑可歸納為五個宇。即:圓（進口和轉(zhuǎn)彎要圓滑)，平(管道要平、起伏坎坷要少)，直(管道要直、轉(zhuǎn)彎要少)，緩（截面改變、速度改變、轉(zhuǎn)彎等都要緩慢)、少(渦流要少)；這些都是從改進氣體外部的邊界和改善邊壁對氣流的影響出發(fā)的。對圖