1
§ 5.1 热气体相对于大气的特殊规律
一、本课的基本要求
1,掌握位压头、静压头及动压头的概念，热气体表压力沿高度分布的
规律，热气体管流伯努利方程式及其应用。
2,会烟囱的设计、烟道和供气管道的选择。
3,会风机的选择。
二、本课的重点、难点
本课的重点是烟囱的工作原理及烟囱计算，烟道的选择及计算，供气管道尺寸的
选择及计算，风机的选择。
§ 5.2 排烟系统及烟囱
§ 5.3 供气系统极其相关计算
第五章 气体力学计算
2
冶金炉内气体流动的 显著特征,
第一：炉内气体为热气体（即炉内气体的温度高于周围
大气的温度）；
第二：炉内热气体总是与大气相通的，而且炉内热气体
的密度小于周围大气的密度，所以炉内气体的流
动状况受大气的影响。
5 气体力学计算
第五章 气体力学计算
3
一、热气体的压头
单位体积流体的能为：
位能,ρgz
静压能,P
动能：
对于炉内热气体在流动过程中，虽然同样具有这三种能量，但
由于周围大气对其流动的影响，这三种能量只能用相对值来表示，
即 单位（体积）热气体所具有的位能与外界同一平面上单位（体
积）大气所具有的位能之差称为位压头 。 同理也有动压头和静压
头之称呼。但是在通常情况下，大气的流速比流体的流速小得多，
所以热气体的动压头也就是热气体本身所具有的动能。
第五章 气体力学计算
§ 5.1 热气体相对于大气的特殊规律
22 W?
4
1．热气体的位压头 ——几何压头
设流体的密度为,体积 V，大气的密度为,则流体在大气中所
受 到的浮力为, 。
第五章 气体力学计算
（ 1）阿基米德浮力原理
（ 2）有效重力
g ? a?
gV a?
流体本身的重力为 gV g?
有效重力为 ) g V-(gV-gV
agag ???? ?
单位体积流体的有效重力为 )g-( ag ??
5
第五章 气体力学计算
当 时有效重力为正，方向竖直向下，流体在大气中
下沉；反之则流体在大气中上浮，由于热气体温度高于大气温度，
所以,故热气体有效重力为负，方向向上，热气体在
大气中有自动上浮的趋势。
a?? ?g
ag ?? ?
6
第五章 气体力学计算
（ 3）热气体的位压头及其分布规律
如下图 5-1-2所示,
7
第五章 气体力学计算
取 0— 0`为基准面，则热气体的位压头为,
) g H-(gH-gHh ag agg ???? ??
当基准面取在上方, 高度向下量度时为正, 故,
)g-H()g-- H (h g gaag ???? ?? （此时 H为正值）
分布规律：线性, 上小下大 。
注意,由于热气体有自动上升趋势，所以热气体由下向上流动时，位
压头是流动的动力。反之，热气体自上向下流动时，位压头应作阻力来对
待。
8
第五章 气体力学计算
2.热气体静压头及其分布规律
(1)定义：热气体的静压头与同一水平面大气静压头压力之差，即相
对压力，常称做表压力，用 hs表示。
(2)分布规律
A,静止液体表压力分布规律：上小下大
B.热气体表压力分布规律：上大下小
注意：
当在某一平面上，热气体的表压力为零时，称此面为零压面。在零压面以
上，热气体表压力为正，若有缝隙，则热气体将外逸。反之，在零压面以下，
热气体表压力为负，冷空气将会被吸入。冶金炉的操作过程中常将零压面控
制在炉底上，使炉膛呈正压区，而烟道则为负压区。
9
第五章 气体力学计算
3.热气体的动压头
由定义知，热气体的动压头 22
a
a2
d W2W2-W2h
gg ??? ??
二, 热气体平衡方程式,
s2g2s1g1 hhhh ???
三, 热气体管流伯努利方程式 （ 双流伯努利方程式 ）
1.表达式：实际流体管流伯努利方程式为,
22
2
2
21
2
1
1 hP2gz2gz ??????????
WPW
10
热气体管流伯努利方程式为,
L
2
2
M2ga2
2
1
M11 h2P)-(H2P)g-(H ?????? ggga
WW ??????
Ld2s2g2d1s1g1 hhhhhhh ??????
即
四、热气体管流时的阻力损失计算
表达式 2
2
002
L )(12
WkW
2kh m
Nt??? ???
计算特点说明：
1.摩擦阻力损失 hf计算
2
2
00
22
f ) 1(222
Wkh
m
NtW
D
LW
D
L ?????? ????
第五章 气体力学计算
11
第五章 气体力学计算
的选择按圆管内流磨阻力计算式计算，工程上一般按经验式。
L为计算段长度,D为当量直径,Wo 取经济流速,t取时间段的平均值。
2.局部阻力损失的计算 hr
局部阻力系数仍按附表 6查出,wo仍取经济流速，温度则取对应
与 w 的温度。
3.热气体自上而下流动时，位压头作为阻力损失考虑，反之，热气
体自下而上流动时，位压头应从阻力损失中减去。
4.两截面上的压头损失等于两截面上表压力之差
?
12
第五章 气体力学计算
§ 5.2 排烟系统及烟囱
排烟系统及烟囱的重要性
一, 烟囱 (实物如下图 ）
13
第五章 气体力学计算
1.烟囱的工作原理
烟囱能将烟气从炉尾经烟道烟囱排入大气，是因烟囱底部具有抽力，亦
称吸力。烟囱产生抽力的原因是热气体相对于大气的特殊规律造成的。
如图 5-2-1,在烟囱内等温情况下,
14
第五章 气体力学计算
gHPP
gHPP
g32
a34
?
?
??
??
差值△,所以气体能自动地由
炉膛入口并排入大气, 称自动通风 。 实际上 △ P即为烟囱底部截面对
烟囱顶部截面所产生的位压头, 所以, 烟囱底部的位压头是烟囱排烟
的动力 。 如图 5-2-2,以 3-3为基准面, 在气体静止状态下列出 2-2与
3-3截面的伯氏方程得公式,
0)H(P-PP a24 ???? gg??
gtHtHHg
g
g
a
a
g )()H(P-
00
a2 ?
?
?
??? ????
15
由此式可得出, 烟囱底部表压力为负值 （ 称为抽力或吸力 ） 该抽力称理
论抽力 。 它是由位压头产生的, 而且与烟囱的高度 H,大气的温度 ta,烟囱
温度 tg等因素有关 。
若烟气在烟囱内流动, 则其实际抽力为,
LdgaMV
g
hhgHPh ???????
??
)(
h-)
2
W
-
2
W
(-)g-H(-Ph
2
L
2
2
2
3
gaM2
??
???
即
实际
2,烟囱计算
在冶金炉中不论是设计新烟囱, 还是对建成的烟囱进行校核, 其原理是相
同的, 现以新设计烟囱为例说明其计算方法 。
由烟囱的工作原理可知,
gga )(
hhhH LdV
?? ?
????
第五章 气体力学计算
16
第五章 气体力学计算
但此式不能直接用来计算烟囱的高度 H,因为式中很多参数均与 H有关 。 所以
只能用试算法, 其步骤如下：
(1)烟囱实际抽力 hv的计算
?
? ??
??
?????
Lv
rL
h)3.12.1(h
hdhh 位压头热气体自上而下流动的烟道系统内 总
(2)烟囱内动压头增量 的计算hd?
5.1
d
d
s
m42,
d
V4
W
W
V4
d
)t1(
2
We
)tt1(
2
W
2
W
2
W
h
3
2
2
2
0
02
03
0
3
2
2
020
3
2
030
g
2
2
g
2
3
d
?
?
?
??
?
?
?????
?
??????
??
一般取据实际情况定
17
第五章 气体力学计算
(3)烟囱内阻损失 hl的计算
2
2
2
)1(
2
h
23
32
0302
0
0
2
0
L
dd
DD
tt
t
WW
W
t
W
D
H
g
?
?
?
?
?
?
??
取当量直径平均值
式中
???
(4)空气及烟气密度计算
g
g
g
a
a
tt ?
??
?
??
???? 1 1
00
a
18
第五章 气体力学计算
3.烟囱设计计算中的注意事项
(1) 当几个炉子共用一个烟囱时, 在计算 hv时, 应选用 比较大
的那炉子的数值 。
(2) 计算烟囱出口及底部直径所用的烟气流量 vo,应用两个炉子烟
气流量之和 。
(3) 考虑到环境保护问题, 烟囱的高大至少应高出周围建筑物 3米 。
(4) 布置烟道时，应尽量减少阻力损失。
? Lh
?5.3 供气系统极其有关计算
一, 供气管道
1.管道布置基本原则
(1) 供气管道一般架空敷设, 管道底部距地面的距离不得小于 2米 。
(2) 管道系统中装有换热器时, 应设旁道管道, 金属换热器后的热
风总管上一般要求安装放风阀 。 煤气管道上应安装放散管及放
散阀 。 煤气总管上除安装调节阀外, 还应安装低压快速切断阀 。
(3) 按有关规程进行气密性试验 （ 试压 ） 。
(4) 管道布置应尽量减少阻力损失 。
19
第五章 气体力学计算
2.管道计算
(1)管径计算
(2)管道的阻力损失计算
二, 常用风机简介
按产生压力的大小, 风机分为,
通风机 压力在 0.1 atm以下
鼓风机 压力在 0.1~3atm以内
压缩机 压力超过 3atm
高压压缩机 压力超过 100atm
1.离心式通风机
(1)类型
低压通风机 压力小于 981Pa(100mmH2O)
中压通风机 压力为 981~2943 Pa(100~300mm H2O)
高压通风机 压力大于 2943Pa(300mm H2O)
20
第五章 气体力学计算
(2)结构
2.离心式鼓风机
离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似, 只是空气的压缩过
程通常是经过几个工作叶轮 （ 或称几级 ） 在离心力的作用下进行的
。
3.回转式风机
三, 离心式通风机特性及选择计算
1.通风机在管道上工作时的总压头
单位体积气体通过风机时所获得的机械能，称为通风机产生的总压头。
其作用是,a)将气体的压力从吸合空间的 po提高到用气空间的 pd，即提高到了 pd-po
b)克服气体沿吸气，排气管道所产生的压头损失
LdLs hh ?
c)使气体由气体由吸气空间的静止状态达到排风机口处 时所具有的
动能 d W?
2
W 2d
21
第五章 气体力学计算
2.通风机的风量、功率及效率
N
N
W
VH
VHN
s
m
sT
T
P
P
i
i
?
?
?
?
?
K
4.10
s
N,m
m VV
33
0
0
0
3.风机的特性曲线
4.管网特性
5.风机的工作点及工况调节
22
第五章 气体力学计算
6.风机的选择及计算
(1)风机的选择注意事项
1) 铭牌上标出的全风压, 风量, 功率是指在 最高效率 下的 h,v及 N值 。
2) 风机性能表说明书, 铭牌上所标出的风机性能 。 都是指风机在实验
标准状况 （ 1个标准大气压, 20摄氏度, 密度为 1.293 ） 下的数
值, 工作条件若不同于实验条件, 应进行参数换算 。
3) 风机的传动方式有 A, B,C,D,E,F等 6种。
3mKg
(2)参数换算
i)实际风量
hm
t
P
3
0 2 9 3
2 7 37 6 0VV ??
ii)实际全风压及轴功率
23
第五章 气体力学计算
KW
273
293
760
NN
P
273
293
760
hh
0
a0
t
P
t
P
?
?
?
?
7.通风机的串联与并联
当一台风机的风压及风量不能满足需要时，只有同型号的风机才能串、
并联使用。风机串联后总风压比二台风机风压之和略低，风量等于一台的
风量。风机并联后，风量比两台风机风量之和略低，风量等于一台风机的
风压 。
返 回
§ 5.1 热气体相对于大气的特殊规律
一、本课的基本要求
1,掌握位压头、静压头及动压头的概念，热气体表压力沿高度分布的
规律，热气体管流伯努利方程式及其应用。
2,会烟囱的设计、烟道和供气管道的选择。
3,会风机的选择。
二、本课的重点、难点
本课的重点是烟囱的工作原理及烟囱计算，烟道的选择及计算，供气管道尺寸的
选择及计算，风机的选择。
§ 5.2 排烟系统及烟囱
§ 5.3 供气系统极其相关计算
第五章 气体力学计算
2
冶金炉内气体流动的 显著特征,
第一：炉内气体为热气体（即炉内气体的温度高于周围
大气的温度）；
第二：炉内热气体总是与大气相通的，而且炉内热气体
的密度小于周围大气的密度，所以炉内气体的流
动状况受大气的影响。
5 气体力学计算
第五章 气体力学计算
3
一、热气体的压头
单位体积流体的能为：
位能,ρgz
静压能,P
动能：
对于炉内热气体在流动过程中，虽然同样具有这三种能量，但
由于周围大气对其流动的影响，这三种能量只能用相对值来表示，
即 单位（体积）热气体所具有的位能与外界同一平面上单位（体
积）大气所具有的位能之差称为位压头 。 同理也有动压头和静压
头之称呼。但是在通常情况下，大气的流速比流体的流速小得多，
所以热气体的动压头也就是热气体本身所具有的动能。
第五章 气体力学计算
§ 5.1 热气体相对于大气的特殊规律
22 W?
4
1．热气体的位压头 ——几何压头
设流体的密度为,体积 V，大气的密度为,则流体在大气中所
受 到的浮力为, 。
第五章 气体力学计算
（ 1）阿基米德浮力原理
（ 2）有效重力
g ? a?
gV a?
流体本身的重力为 gV g?
有效重力为 ) g V-(gV-gV
agag ???? ?
单位体积流体的有效重力为 )g-( ag ??
5
第五章 气体力学计算
当 时有效重力为正，方向竖直向下，流体在大气中
下沉；反之则流体在大气中上浮，由于热气体温度高于大气温度，
所以,故热气体有效重力为负，方向向上，热气体在
大气中有自动上浮的趋势。
a?? ?g
ag ?? ?
6
第五章 气体力学计算
（ 3）热气体的位压头及其分布规律
如下图 5-1-2所示,
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第五章 气体力学计算
取 0— 0`为基准面，则热气体的位压头为,
) g H-(gH-gHh ag agg ???? ??
当基准面取在上方, 高度向下量度时为正, 故,
)g-H()g-- H (h g gaag ???? ?? （此时 H为正值）
分布规律：线性, 上小下大 。
注意,由于热气体有自动上升趋势，所以热气体由下向上流动时，位
压头是流动的动力。反之，热气体自上向下流动时，位压头应作阻力来对
待。
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第五章 气体力学计算
2.热气体静压头及其分布规律
(1)定义：热气体的静压头与同一水平面大气静压头压力之差，即相
对压力，常称做表压力，用 hs表示。
(2)分布规律
A,静止液体表压力分布规律：上小下大
B.热气体表压力分布规律：上大下小
注意：
当在某一平面上，热气体的表压力为零时，称此面为零压面。在零压面以
上，热气体表压力为正，若有缝隙，则热气体将外逸。反之，在零压面以下，
热气体表压力为负，冷空气将会被吸入。冶金炉的操作过程中常将零压面控
制在炉底上，使炉膛呈正压区，而烟道则为负压区。
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第五章 气体力学计算
3.热气体的动压头
由定义知，热气体的动压头 22
a
a2
d W2W2-W2h
gg ??? ??
二, 热气体平衡方程式,
s2g2s1g1 hhhh ???
三, 热气体管流伯努利方程式 （ 双流伯努利方程式 ）
1.表达式：实际流体管流伯努利方程式为,
22
2
2
21
2
1
1 hP2gz2gz ??????????
WPW
10
热气体管流伯努利方程式为,
L
2
2
M2ga2
2
1
M11 h2P)-(H2P)g-(H ?????? ggga
WW ??????
Ld2s2g2d1s1g1 hhhhhhh ??????
即
四、热气体管流时的阻力损失计算
表达式 2
2
002
L )(12
WkW
2kh m
Nt??? ???
计算特点说明：
1.摩擦阻力损失 hf计算
2
2
00
22
f ) 1(222
Wkh
m
NtW
D
LW
D
L ?????? ????
第五章 气体力学计算
11
第五章 气体力学计算
的选择按圆管内流磨阻力计算式计算，工程上一般按经验式。
L为计算段长度,D为当量直径,Wo 取经济流速,t取时间段的平均值。
2.局部阻力损失的计算 hr
局部阻力系数仍按附表 6查出,wo仍取经济流速，温度则取对应
与 w 的温度。
3.热气体自上而下流动时，位压头作为阻力损失考虑，反之，热气
体自下而上流动时，位压头应从阻力损失中减去。
4.两截面上的压头损失等于两截面上表压力之差
?
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第五章 气体力学计算
§ 5.2 排烟系统及烟囱
排烟系统及烟囱的重要性
一, 烟囱 (实物如下图 ）
13
第五章 气体力学计算
1.烟囱的工作原理
烟囱能将烟气从炉尾经烟道烟囱排入大气，是因烟囱底部具有抽力，亦
称吸力。烟囱产生抽力的原因是热气体相对于大气的特殊规律造成的。
如图 5-2-1,在烟囱内等温情况下,
14
第五章 气体力学计算
gHPP
gHPP
g32
a34
?
?
??
??
差值△,所以气体能自动地由
炉膛入口并排入大气, 称自动通风 。 实际上 △ P即为烟囱底部截面对
烟囱顶部截面所产生的位压头, 所以, 烟囱底部的位压头是烟囱排烟
的动力 。 如图 5-2-2,以 3-3为基准面, 在气体静止状态下列出 2-2与
3-3截面的伯氏方程得公式,
0)H(P-PP a24 ???? gg??
gtHtHHg
g
g
a
a
g )()H(P-
00
a2 ?
?
?
??? ????
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由此式可得出, 烟囱底部表压力为负值 （ 称为抽力或吸力 ） 该抽力称理
论抽力 。 它是由位压头产生的, 而且与烟囱的高度 H,大气的温度 ta,烟囱
温度 tg等因素有关 。
若烟气在烟囱内流动, 则其实际抽力为,
LdgaMV
g
hhgHPh ???????
??
)(
h-)
2
W
-
2
W
(-)g-H(-Ph
2
L
2
2
2
3
gaM2
??
???
即
实际
2,烟囱计算
在冶金炉中不论是设计新烟囱, 还是对建成的烟囱进行校核, 其原理是相
同的, 现以新设计烟囱为例说明其计算方法 。
由烟囱的工作原理可知,
gga )(
hhhH LdV
?? ?
????
第五章 气体力学计算
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第五章 气体力学计算
但此式不能直接用来计算烟囱的高度 H,因为式中很多参数均与 H有关 。 所以
只能用试算法, 其步骤如下：
(1)烟囱实际抽力 hv的计算
?
? ??
??
?????
Lv
rL
h)3.12.1(h
hdhh 位压头热气体自上而下流动的烟道系统内 总
(2)烟囱内动压头增量 的计算hd?
5.1
d
d
s
m42,
d
V4
W
W
V4
d
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2
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2
W
2
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3
2
2
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0
02
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2
2
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2
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?
?
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一般取据实际情况定
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第五章 气体力学计算
(3)烟囱内阻损失 hl的计算
2
2
2
)1(
2
h
23
32
0302
0
0
2
0
L
dd
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WW
W
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W
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取当量直径平均值
式中
???
(4)空气及烟气密度计算
g
g
g
a
a
tt ?
??
?
??
???? 1 1
00
a
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第五章 气体力学计算
3.烟囱设计计算中的注意事项
(1) 当几个炉子共用一个烟囱时, 在计算 hv时, 应选用 比较大
的那炉子的数值 。
(2) 计算烟囱出口及底部直径所用的烟气流量 vo,应用两个炉子烟
气流量之和 。
(3) 考虑到环境保护问题, 烟囱的高大至少应高出周围建筑物 3米 。
(4) 布置烟道时，应尽量减少阻力损失。
? Lh
?5.3 供气系统极其有关计算
一, 供气管道
1.管道布置基本原则
(1) 供气管道一般架空敷设, 管道底部距地面的距离不得小于 2米 。
(2) 管道系统中装有换热器时, 应设旁道管道, 金属换热器后的热
风总管上一般要求安装放风阀 。 煤气管道上应安装放散管及放
散阀 。 煤气总管上除安装调节阀外, 还应安装低压快速切断阀 。
(3) 按有关规程进行气密性试验 （ 试压 ） 。
(4) 管道布置应尽量减少阻力损失 。
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第五章 气体力学计算
2.管道计算
(1)管径计算
(2)管道的阻力损失计算
二, 常用风机简介
按产生压力的大小, 风机分为,
通风机 压力在 0.1 atm以下
鼓风机 压力在 0.1~3atm以内
压缩机 压力超过 3atm
高压压缩机 压力超过 100atm
1.离心式通风机
(1)类型
低压通风机 压力小于 981Pa(100mmH2O)
中压通风机 压力为 981~2943 Pa(100~300mm H2O)
高压通风机 压力大于 2943Pa(300mm H2O)
20
第五章 气体力学计算
(2)结构
2.离心式鼓风机
离心式鼓风机的工作原理与离心式通风机相似, 只是空气的压缩过
程通常是经过几个工作叶轮 （ 或称几级 ） 在离心力的作用下进行的
。
3.回转式风机
三, 离心式通风机特性及选择计算
1.通风机在管道上工作时的总压头
单位体积气体通过风机时所获得的机械能，称为通风机产生的总压头。
其作用是,a)将气体的压力从吸合空间的 po提高到用气空间的 pd，即提高到了 pd-po
b)克服气体沿吸气，排气管道所产生的压头损失
LdLs hh ?
c)使气体由气体由吸气空间的静止状态达到排风机口处 时所具有的
动能 d W?
2
W 2d
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第五章 气体力学计算
2.通风机的风量、功率及效率
N
N
W
VH
VHN
s
m
sT
T
P
P
i
i
?
?
?
?
?
K
4.10
s
N,m
m VV
33
0
0
0
3.风机的特性曲线
4.管网特性
5.风机的工作点及工况调节
22
第五章 气体力学计算
6.风机的选择及计算
(1)风机的选择注意事项
1) 铭牌上标出的全风压, 风量, 功率是指在 最高效率 下的 h,v及 N值 。
2) 风机性能表说明书, 铭牌上所标出的风机性能 。 都是指风机在实验
标准状况 （ 1个标准大气压, 20摄氏度, 密度为 1.293 ） 下的数
值, 工作条件若不同于实验条件, 应进行参数换算 。
3) 风机的传动方式有 A, B,C,D,E,F等 6种。
3mKg
(2)参数换算
i)实际风量
hm
t
P
3
0 2 9 3
2 7 37 6 0VV ??
ii)实际全风压及轴功率
23
第五章 气体力学计算
KW
273
293
760
NN
P
273
293
760
hh
0
a0
t
P
t
P
?
?
?
?
7.通风机的串联与并联
当一台风机的风压及风量不能满足需要时，只有同型号的风机才能串、
并联使用。风机串联后总风压比二台风机风压之和略低，风量等于一台的
风量。风机并联后，风量比两台风机风量之和略低，风量等于一台风机的
风压 。
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