冶金炉热工基础-qiti课件.ppt
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1、冶冶 金金 炉炉 热热 工工 基基 础础山东工业职业学院山东工业职业学院冶金学院冶金学院12 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)热能的主要来源目前大部分冶金炉(除电炉外)热能的主要来源是靠燃烧燃料来供给的。是靠燃烧燃料来供给的。燃料燃烧需要供入炉内大量空气,并在炉内产生燃料燃烧需要供入炉内大量空气,并在炉内产生大量的炉气。大量的炉气。高温的炉气是传热的介质,当它将大部分热能传高温的炉气是传热的介质,当它将大部分热能传给被加热的物料以后就从炉内排出。如果排出的炉给被加热的物料以后就从炉内排出。如果排出的炉气温度较
2、高,还可用废热回收装置再收回部分热能气温度较高,还可用废热回收装置再收回部分热能然后再经过排气装置排入大气。然后再经过排气装置排入大气。34 因此,根据炉子的生产要求正确地向炉内供气,合理地组因此,根据炉子的生产要求正确地向炉内供气,合理地组织炉内气体运动,根据炉子生产的需要及时地将炉内产生的炉织炉内气体运动,根据炉子生产的需要及时地将炉内产生的炉气排出,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。5
3、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。引起自由和强制流动的许多原因合在一起,就决定了炉内引起自由和强制流动的许多原因合在一起,就决定了炉内气体流动的性质。气体流动的性质。1.1 气体的主要物理性质和气体平衡方程式气体的主要物理性质和气体平衡方程式1.1.1气体的主要物理性能气体的主要物理性能6 一切物体都是由许多永不停止的作无规则运动的微粒一切物体
4、都是由许多永不停止的作无规则运动的微粒“分子分子”所组成。分子的无规则运动与温度密切相关,因此,称所组成。分子的无规则运动与温度密切相关,因此,称为分子的热运动。为分子的热运动。分子间的空隙不同,则分子间的作用力和分子热运动的情分子间的空隙不同,则分子间的作用力和分子热运动的情况不同,各种物体的性质也不同。况不同,各种物体的性质也不同。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。7 液体和气体,由于分子间的空隙比固体大,它们都不
5、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。8 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,所以气体在流动过程中受周围大
6、气的影响。以气体在流动过程中受周围大气的影响。910 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
7、必须确定温标。要测出气体的温度,首先必须确定温标。所谓温标是指衡量温度高低的标尺,它规定了温度的起点所谓温标是指衡量温度高低的标尺,它规定了温度的起点(零点)和测量温度的单位。(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:1112a、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1
8、00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。13b、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
9、度的。就是水三相点热力学温度的。14 绝对温标绝对温标lK与摄氏温标与摄氏温标l的间隔是完全相同的。在一个标准的间隔是完全相同的。在一个标准大气压下,纯水冰点的热力学温度为大气压下,纯水冰点的热力学温度为273.15K,它比水的三相点,它比水的三相点热力学温度低热力学温度低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:T273.15+t K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 15 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气体在运动过程中有温度变化时,气体的平
10、均温度常取为气体的始端温度的始端温度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:2ttt21均 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。16 b、压力的单位、压力的单位 在工程单位制即米制中,气体的压力大小有以下三种表在工程单位制即米制中,气体
11、的压力大小有以下三种表示方法: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。17 用大气压来表示:用大气压来表示:地球表面包围着一层厚达几百公里的大气层,大气
12、重量对地球表面包围着一层厚达几百公里的大气层,大气重量对地球表面上所造成的压力称为大气压力,常用单位是地球表面上所造成的压力称为大气压力,常用单位是mmHg。大气压力的数值随着所在地区海拔高度的升高而降低,也大气压力的数值随着所在地区海拔高度的升高而降低,也就是说,海拔越高,空气越稀薄,大气压力也就越低。就是说,海拔越高,空气越稀薄,大气压力也就越低。在同一地区,大气压力的数值也因季节、晴雨等气候变化在同一地区,大气压力的数值也因季节、晴雨等气候变化而稍有差异。而稍有差异。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
13、柱(mmHg)。18 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=10332mmH2O19 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
14、)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”都是压都是压力的计量单位,不要与所在地区的实际大气压相混淆。力的计量单位,不要与所在地区的实际大气压相混淆。20 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
15、。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。21 在国际单位制中,压力的单位是帕斯卡,简称帕,其代号在国际单位制中,压力的单位是帕斯卡,简称帕,其代号为为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
16、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 Pa22c、气体的压力与温度的关系、气体的压力与温度的关系 实验研究指出:当一定质量的气体其体积保持不变(即实验研究指出:当一定质量的气体其体积保持不变(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
17、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:273123d、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,用符号以真空为起点所计算的气体压力称为绝对压力,用符号表示。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
18、该时的实际大气压)都是指大气的绝对压力。绝P24表压力和绝对压力的关系为:表压力和绝对压力的关系为:大气绝表PPP 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。表P25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。绝P大气P表P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
19、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。2627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数。气体的体积:表示气体所占据的空间大小的物理参数。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。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,用符号表示,单表示,单位是位是 m3/kg。气体体积随温
20、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。28a、气体体积与温度关系、气体体积与温度关系 l千克质量的气体,在恒压条件下,其体积与其绝对温度成正千克质量的气体,在恒压条件下,其体积与其绝对温度成正比,即比,即:ttooTT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。29 设设V代表代表m千克质量气体
21、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:ttooTVTV 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:3oo0totm 273t1V273t273VTTVV式中式中 常用符号常用符号表示,称为气体的温度膨胀系数。因此,上表示,称为气体的温度膨胀系数。因此,上式可写成式可写成2731m3)t1(VVot30b、气体体积与压力的关系、气体体积与压力的关系 l千克质量的气体,在恒温条件下,其体积与其绝对压力千克质量的气体,在恒温条件下,其
22、体积与其绝对压力成反比,成反比,即即:PvvPvP2211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。31同理:对同理:对m千克质量气体可得千克质量气体可得:PVVPVP2211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。32c、气体的状态方程式、气体的状态方程式 表明气体的温度、压
23、力、体积的综合关系式称为气体的状态表明气体的温度、压力、体积的综合关系式称为气体的状态方程式。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:RTPvTvPTvP222111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。33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,
24、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,KKg/JKKg/mm/NTPvR3234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?KKg/33J.287273773.0101325TvPRoooR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。35 如果气体的质量不是如果气体的质量不是l千克而是千克而是m千克,则可得到适用于千克,则可得到适用于m千千克气
25、体的状态方程式克气体的状态方程式:mRTPVTVPTVP222111 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:RTPVm 36 在国际单位制中,在国际单位制中,1克分子量叫做克分子量叫做1摩尔摩尔(mo1),1千克分子量叫千克分子量叫做做1千摩尔(千摩尔(kmo1)。)。例如氧气(例如氧气(O2)的分子量是)的分子量是32,则,则32g氧称为氧称为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
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