1、第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理 Pneumatic Principle on Cokeoven,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,本章內(nèi)容: 第一節(jié) 焦?fàn)t用氣體柏努利方程式及其應(yīng)用 第二節(jié) 動(dòng)量原理在焦?fàn)t上的應(yīng)用 安排: 4學(xué)時(shí),第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,意義 加熱氣體流量控制 加熱制度制定 爐體尺寸設(shè)計(jì) 煙囪高度確定 箅子磚排列方式確定 廢氣循環(huán)量分析、確定等,第一節(jié) 焦?fàn)t用氣體柏努利方程式及其應(yīng)用 一、焦?fàn)t內(nèi)氣體流動(dòng)特點(diǎn) 柏努利方程式: 式中: gZ 位能， J/kg P/ 壓力能， J/kg w2/2 動(dòng)能， J/kg hf 損耗能，J/kg,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,J/k

2、g (7-1),第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,焦?fàn)t內(nèi)的氣體流動(dòng)途徑,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,1、焦?fàn)t加熱系統(tǒng)各區(qū)段流過(guò)不同的氣體，且氣體從斜道進(jìn)入立火道后，溫度發(fā)生劇變，組成發(fā)生變化，因此要分段運(yùn)用上述方程式。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,2、焦?fàn)t內(nèi)加熱系統(tǒng)的壓力變化較小，各區(qū)段溫度呈均勻變化。 故流動(dòng)過(guò)程中氣體密度以平均溫度下的氣體調(diào)和平均密度1-2代替。為便于焦?fàn)t上應(yīng)用，式（7-1）以壓力形式表示：,式中：1-2p流體通過(guò)斷面1-2間的阻力，Pa 1-2調(diào)和平均密度， w1,w2氣體在溫度T1和T2下的流速，m/s,Pa (7-2),第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,常溫、0Pa,90、-35.3Pa

3、,1080、-28.5pa,800、,1300,-74.6Pa,1035,360,1095,1650、-45.8Pa,1450、-15.8Pa,1315,1330,-49.5Pa,1450,-17.7Pa,235、-277.5Pa,205、,240、-238.3Pa,280,300、-128.4Pa,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,+20 10 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 Pa,焦?fàn)t加熱系統(tǒng)壓力分布圖,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,調(diào)和平均密度公式的推導(dǎo)：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,3、焦?fàn)t加熱系統(tǒng)不僅是個(gè)通道，而且起著氣流分配或者匯合作用。 集氣管、加熱煤氣主管和分煙

4、道等都有分配或匯合氣體的作用。在這些分配或匯合道中動(dòng)壓力和動(dòng)量的變化影響很大，因此要考慮變量氣流時(shí)的流動(dòng)特點(diǎn)。,氣體在集合道中匯流 氣體在集合道中分流,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,氣流在小煙道中匯流(下降),氣流在小煙道中分流(上升),第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,4、在穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，柏努利方程式表現(xiàn)為： 總壓差 = 總阻力 Pw2, 流體流動(dòng)時(shí)，當(dāng)其中任何一方發(fā)生變化時(shí)，平衡就破壞，穩(wěn)定流動(dòng)變?yōu)椴环€(wěn)定流動(dòng)，流量將發(fā)生變化，并在流量改變后的條件下，總壓差和阻力達(dá)到新平衡。 按這一原理，焦?fàn)t調(diào)節(jié)氣體流量的方法有： (1)改變煤氣、廢氣的靜壓力來(lái)改變系統(tǒng)的總壓差； (2)改變調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)度（局部阻力系數(shù)）

5、來(lái)改變系統(tǒng)的阻力,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,二、焦?fàn)t實(shí)用氣流方程式及其應(yīng)用 1、上升氣流公式與浮力,圖7-1 上升氣流通道,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,對(duì)于上升氣流通道： 對(duì)于空氣柱： 兩式相減得： 記： a1=P1-P1 始點(diǎn)的相對(duì)壓力 a2=P2-P2 終點(diǎn)的相對(duì)壓力 h1-2=Z2-Z1,代入上式整理得： 近似為： 記：h=h1-2(空-1-2）g , 為氣柱的熱浮力 上升氣流公式的物理意義： 斷面2（終點(diǎn)）處的相對(duì)壓力等于斷面1（始點(diǎn)）處 的相對(duì)壓力加上熱浮力，再減去阻力。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,2、下降氣流公式,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,同理可得：,圖7-2 下降氣流通道,意義：斷

6、面2（終點(diǎn)）處的相對(duì)壓力等于斷面1（始點(diǎn)）處的相對(duì)壓力減去熱浮力，再減去阻力。,3、循序上升下降氣流公式,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,始點(diǎn)， a始,終點(diǎn)， a終,拐點(diǎn)，a拐,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,對(duì)于上升側(cè)：,對(duì)于下降側(cè)：,將二式合并：,意義：終點(diǎn)處的相對(duì)壓力等于始點(diǎn)處的相對(duì)壓力加上升段熱浮力、減去下降段熱浮力，再減去總阻力。,至此，由柏努利方程導(dǎo)出了三個(gè)實(shí)用氣流方程式：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,循序上升與下降氣流公式：,下降氣流公式：,上升氣流公式：,Pa (7-4),Pa (7-5),Pa (7-6),三、煙囪原理 1、煙囪工作原理 （1）煙囪的作用 使其根部產(chǎn)生足夠吸力，克服加熱系統(tǒng)

7、阻力（包括煙道阻力）和下降氣流段的熱浮力，使?fàn)t內(nèi)廢氣排出，空氣吸入。 （2）煙囪根部吸力的產(chǎn)生 靠煙囪內(nèi)熱廢氣浮力，其值由煙囪高度和熱廢氣與大氣的密度差決定。 （3）煙囪的工藝設(shè)計(jì) 確定煙囪高度和直徑。 高度取決于加熱系統(tǒng)阻力和浮力值。 直徑取決于出口流速。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,廢氣,空氣,a根,a口, a頂,H,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（1）煙囪根部所需吸力,(-a根)=加P + h下(空-i)-h上(空-i)（7-7）,a根=a口+h上(空-i)-h下(空-i)-加P,根據(jù)循序上升與下降氣流公式可得:,整

8、理得:,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（2）高度為H的煙囪所能產(chǎn)生的根部吸力,從煙囪根部到頂部由上升氣流公式可得:,(-a根) = H(空-廢)g -煙P （7-8）,a頂 = a根+ H(空-廢)g -煙P,整理得:,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,2、煙囪計(jì)算,（1）煙囪直徑,1) 煙囪頂口直徑d頂：,m,（7-9）,式中：Q0焦?fàn)t排出的廢氣量，nm3/h; w0煙囪出口處廢氣流速，m/s。一般取34m/s。討論： d頂大，煙囪細(xì)而高； d頂小，直徑粗而矮。 應(yīng)按煙囪投資、安全等方面加以權(quán)衡。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,2）煙囪根部直徑d根：,根據(jù)d頂和煙囪錐度確定。,對(duì)于鋼筋混凝土煙囪：,d根=

9、d頂+0.01H,式中：0.01煙囪錐度。,H煙囪高度，m,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（2）煙囪高度 由式（7-8）可得：,記：Z1 =（-a根） Z2 = 煙P Z3=50Pa或0.15 Z1(備用吸力)，代入上式得：,，m, m（7-11）,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,對(duì)于高原地區(qū)，還應(yīng)進(jìn)行壓力校正：,式中：0空、0廢空氣和廢氣在0下的密度，kg/m3; T空、T廢沿?zé)焽韪呦虼髿夂蜔焽鑳?nèi)廢氣的平均溫度，K； p當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，MPa。 p0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力，取0.1013MPa。, m（7-12）,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,例題: 1、集氣管壓力的確定 壓力制度的確定原則規(guī)定：以結(jié)焦末期炭化室底部

10、的壓力不小于5Pa為原則確定集氣管的壓力。試確定集氣管壓力。,a1,a2,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,a2,a1,解：如圖所示，依題意，h=8m， 空0=1.28, t空=20，煤氣0=0.51， t煤氣=800 , a1=5Pa，求a2=?,由上升氣流公式：,將數(shù)字代入得：,a2=5+8(1.28273/293-0.51273/1073) 9.81-0 = 88.41Pa,故生產(chǎn)上一般控制在80100Pa,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,2、蓄熱室頂部吸力的確定。 壓力制度確定原則規(guī)定：以下降氣流看火孔壓力為0為原則確定燃燒系統(tǒng)的壓力，并以蓄熱室頂部吸力為控制指標(biāo)。試探討調(diào)節(jié)方法。 解：由下降氣流公

11、式（見(jiàn)圖）：,上式簡(jiǎn)化為： a1= a2+h浮+P,而 h浮 = Constant,因此:,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,(1) 對(duì)于全爐 調(diào)節(jié)分煙道吸力,即a2。 a1與a2呈線性關(guān)系。 當(dāng)a2為某一值時(shí)剛好使a1為0時(shí),則a2就是煙道吸力控制值,a頂就是燃燒系統(tǒng)的控制值。,(2)對(duì)于一個(gè)燃燒室 調(diào)節(jié)廢氣盤(pán)中的調(diào)節(jié)翻板： 當(dāng)翻板關(guān)時(shí)，阻力P增大，則a1增大； 當(dāng)翻板開(kāi)時(shí)，阻力P減小，則a1減??； 當(dāng)翻板處于某一個(gè)開(kāi)度時(shí)剛好使a1=0, 這時(shí)的蓄熱室頂部吸力a頂即為控制值。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,第二節(jié) 動(dòng)量原理在焦?fàn)t上的應(yīng)用 一、廢氣循環(huán) 1、廢氣循環(huán)的意義和原理 （1） 定義： 廢氣循環(huán)是

12、指下降火道的廢氣經(jīng)循環(huán)孔部分返回上升火道的現(xiàn)象，稱為廢氣循環(huán)。 廢氣循環(huán)量循環(huán)的廢氣量與燃燒產(chǎn)生的廢氣量的比值稱為廢氣循環(huán)量，記為x, 即：x = G環(huán)/G廢 = V環(huán)/V廢,跨越孔,循環(huán)孔,-45.8Pa,-49.5Pa,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,循環(huán)孔,跨越孔,G環(huán),-49.5Pa,-45.8Pa,空氣,煤氣,G廢+G環(huán),G廢,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（3）原理 廢氣循環(huán)的推動(dòng)力包括： 1）火道底部由斜道口及燒嘴噴出氣流所具 有的噴射力； 2）因上升火道氣流火道溫度一般比下降氣 流火道溫度高而產(chǎn)生的浮力差。,（2）意義 拉長(zhǎng)火焰、改善高向加熱的均勻性。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（4）廢

13、氣循環(huán)量的測(cè)定 如圖所示，于下降立火道上部加入CO2，測(cè)各部位的CO2濃度， 做物料衡算：,CO2,c下廢,c上廢 V上廢,V環(huán),V廢,C廢,V上廢 = V廢 + V環(huán) （1） V上廢c上廢=V廢c廢+V環(huán)c下廢 （2） （1）代入（2）整理得：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,2、廢氣循環(huán)基本方程式,動(dòng)量原理指出：穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),作用于流體某一區(qū)域上的外力在某一坐標(biāo)方向上的總和，等于此區(qū)域兩端單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的流體在該方向上的動(dòng)量變化。,由此可分析圖7-5中，虛線區(qū)域煤氣和空氣進(jìn)入火道時(shí)噴射作用所引起的動(dòng)量變化：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,B面上的動(dòng)量為：G煤w煤+G空w空 式中：G煤、G空由斜道口（或

14、燒嘴） 噴出的煤氣和空氣質(zhì)量流量，kg/s； w煤、w空由斜道口（或燒嘴） 噴出的煤氣和空氣實(shí)際流速，m/s； 1面上的動(dòng)量為:(G廢+G環(huán))w廢+環(huán) 式中：G廢+G環(huán)、w廢+環(huán)廢氣及循環(huán)廢氣的 質(zhì)量流量（kg/s)及流速（m/s)。 作用于虛線區(qū)域的合力為:(PB-P1)A 式中：PB、P1作用于B面和1面上的壓力，Pa; A火立火道斷面積，m2.,根據(jù)動(dòng)量原理則有：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,將,代入上式并整理得:,(1),第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,在點(diǎn)H和1間使用循序上升與下降氣流公式:,整理得:,(2),將(2)代入(1)整理得:,(3),第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,在點(diǎn)B和H間使用氣流

15、公式:,整理得:,代入(3)得:,記作:,校正:,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,3、廢氣循環(huán)和防止短路的討論 （1）廢氣循環(huán)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用 0.75(h煤+h空)+h浮 = 0.75 h廢 + 總P = f(x2) 由上式可知，當(dāng)焦?fàn)t高向溫差增大時(shí)， h浮增大，其余各項(xiàng)不變，平衡被打破，只有等式的右端增大，才能使等式成立，即廢氣循環(huán)量自動(dòng)增大，使系統(tǒng)阻力增大，達(dá)到新的平衡。 1）當(dāng)用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)，火焰短、上下溫差大， h浮力 大，而廢氣量小、阻力小，所以只有增大廢氣循環(huán)量，增加系統(tǒng)的阻力，使等式平衡。 2）當(dāng)用高爐煤氣加熱時(shí)，火焰長(zhǎng)、上下溫差小， h浮 小，而系統(tǒng)的阻力又大，所以廢氣循環(huán)量小，

16、才能使等式兩端相等。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（2）短路產(chǎn)生的條件和防止措施 所謂短路是指上升氣流的煤氣和空氣經(jīng)循環(huán)孔進(jìn)入下降斜道燃燒的現(xiàn)象，稱為短路。這將損壞爐體，應(yīng)予以防止。 短路產(chǎn)生的條件：推動(dòng)力減小，循環(huán)量減小。當(dāng)推動(dòng)力不足以克服阻力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生短路。生產(chǎn)中可能引起短路的情況有： 1）爐頭火道：由于爐體散熱，即使上升時(shí)溫度仍低于相鄰火道的溫度，故浮力差為負(fù)值，總是處于短路，所以JN焦?fàn)t已取消了爐頭火道的循環(huán)孔。 2）結(jié)焦時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或保溫期間：加熱煤氣量減少，噴射力減小，上升和下降立火道溫度趨于一致，浮力差消失，故造成短路。所以有一個(gè)結(jié)焦時(shí)間極限值。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,3）剛換向

17、時(shí)：上升火道的溫度低于下降火道，浮力差為負(fù)值，造成短路。幾秒鐘后會(huì)自動(dòng)消失。 4）火道太臟時(shí)：火道太臟，阻力太大，阻力大于推動(dòng)力，造成短路。 5）裝煤初期：荒煤氣進(jìn)入立火道，阻力增大，可能會(huì)造成短路。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,二、變量氣流方程式及其應(yīng)用 概述: 焦?fàn)t加熱煤氣主管、橫管、橫磚煤氣道、小煙道、水平集合焰道、分煙道、集氣管等，氣體在整個(gè)途徑上的流量都要是變化的，屬變量氣流。 它和前面以恒量氣流為基礎(chǔ)導(dǎo)出的柏努利方程式的根本區(qū)別在于氣流變量所引起的動(dòng)量變化。只能用變量氣流方程式加以描述。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,二、變量氣流基本方程式 （1）分配通道變量氣流方程式 氣體的流動(dòng)方式和

18、參數(shù) 的選擇如圖7-7所示， 推導(dǎo)（略）得如下公式：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（2）集合通道變量氣流方程式,K,x,x,K,氣體的流動(dòng)方式和參數(shù)的選擇如圖7-7所示，推導(dǎo)（略）得如下公式：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,式中： Px、Px水平通道長(zhǎng)向距開(kāi)端xl處的靜壓力，Pa； PH、PK分配通道入口、集合通道出口氣體的靜壓力，Pa； VH、VK分配通道入口、集合通道出口氣體的總流量，m3/s； A、l、D水平通道的截面積，m2，長(zhǎng)度，m，當(dāng)量直徑，m； 通道摩擦系數(shù)； x通道開(kāi)端至某處的距離。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（3）假設(shè)與偏差 上述公式以單向流動(dòng)為出發(fā)點(diǎn),并作了下述假設(shè),故與實(shí)際會(huì)一

19、定的偏差: 1）方程式中未考慮由于流入或流出使氣流平行流動(dòng)有所破壞。 2）公式中僅考慮了摩擦阻力，實(shí)際上氣流在逐漸分流和匯流時(shí)，還存在著轉(zhuǎn)彎等復(fù)雜的局部阻力。 3）在變量氣流通道中，有時(shí)氣體溫度也隨時(shí)x變化，故取溫度為定值也有一定誤差。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,2、小煙道內(nèi)氣體靜壓分布 （1）分配通道內(nèi)的靜壓分布： 當(dāng)x=0時(shí)，為小煙道外側(cè)廢氣盤(pán)處，靜壓 力為： 當(dāng)x=1為小煙道內(nèi)側(cè)、中心隔墻處，靜壓 力為： 故上升氣流時(shí)小煙道內(nèi)、外端的靜壓差為：,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（2）匯合通道內(nèi)的靜壓分布： 同理得： 對(duì)于JN43焦?fàn)t： = 0.048 l = 6.69m D = 0.264m 則： l/3D=0.0486.69/(30.264) = 0.42 2 所以，對(duì)于小煙道而言，無(wú)論呈分配通道或匯合通道，即無(wú)論是上升或下降氣流，都是內(nèi)側(cè)靜壓力大于外側(cè)。,第七章 焦?fàn)t氣體力學(xué)原理,（3）箅子磚上下之間的壓差及氣流分布 一般情況下： 1）箅子磚上部沿蓄熱室全長(zhǎng)的靜 壓力內(nèi)外相同。 2）上升時(shí)：箅子磚上部的壓力要 小于小煙道內(nèi)的靜壓力； 3）下降時(shí)：箅子磚上部的壓力要 大于小煙的靜壓力； 則箅子磚上下的靜壓差沿蓄熱室 長(zhǎng)向的分布如圖7-8所示： 導(dǎo)致結(jié)果： 上升氣流時(shí)，P1P2 ，里大外小，使內(nèi)側(cè)流量大 下降氣流時(shí)，P1P2，外大里小，