热工设备原理与设计复习参考

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1、第一章第一章 筑炉材料筑炉材料 1.1 坩埚渗碳炉的内衬一般选用哪种耐火材料？为什么？ 答：炉内使用耐热钢坩埚，高碳气氛不与炉体接触，此时可不选用抗渗碳砖。 1.2 保护气氛加热炉一般选用哪种耐火材料作为内衬？为什么？ 答：保护气氛加热炉，一般选用抗渗碳砖作为内衬。保护气氛加热炉，是进行光亮加 热的，其气氛不是高碳气氛，CO+H2的含量只有约 5左右。虽然 CO+H2的含量很低，但 仍然会和砖中的 Fe2O3等杂质反应，生成 CO2、H2O 等。这样一来，势必增加炉内氧化气 氛的含量。而且由于 CO+H2本身就很少，氧化性成分一旦增加，有可能不能保证光亮加热 的效果。保护气氛加热炉，应该采用抗

2、渗碳砖。 1.3 有中温箱式炉、推杆式炉和渗碳炉三台设备，问其内衬材料应如何选择？为什么？答：中温箱式炉：周期式作业炉，应选用轻质砖、耐火纤维等。因为经常反复加热， 蓄热是主要热损失，必须减少，提高加热速度。 推杆式炉：连续作业炉，蓄热不是主要问题，因为一直处于高温状态，长期工作，则 使用寿命应重点考虑。为此，一般要选用重质砖。 渗碳炉：可控气氛炉，要选择抗渗碳砖。 1.4 比热容的概念是什么？该指标有什么作用？ 答：比热容（热容量）用 CP表示，单位为 kJ/kg，指 1kg 物质温度升高 1所需 的热量。CP是反映材料蓄热能力的一个指标，通常 CP蓄热能量，对于耐火材料， CP越小越好。

3、1.5 热导率的作用是什么？它主要和哪些因素有关？ 答：热导率 表示材料导热的能力，通常：，则导热能力强散热量大。 热导率的大小，除了和材料的矿物组织有关外，主要取决于制品的气孔率。对同样材 料，如果气孔多而小，且分布均匀，则其热导率 就低。热导率的大小也和温度有关，=a+bt，对大多数耐火材料，t，但也有些制品，如镁砖（炼钢炉用） ，碳化硅制 品等，正好相反。 1.6 抗渗碳砖的实质是什么？为什么这种砖能用于高碳气氛中？ 答：实质：抗渗碳砖是指 Fe2O3等杂质含量小于 1的高铝砖、粘土砖。高碳气氛主 要是 CO+H2，在高温下，这些气氛与 Fe2O3等杂质反应产生的破坏效果不明显。 1.7

4、 说明耐火材料的耐急冷急热性能指标及其评定方法。 答：将重质耐火材料试样（标准砖） （23011365）加热至 850C，然后在流动水中 冷却， （若是轻质耐火材料则加热至 1000C，然后在静止空气中冷却） ，如此反复进行加热、 冷却，直至试样脱落部分重量为原重量的 20%为止，所经受的反复加热、冷却的重复次数， 作为耐急冷急热性能指标。耐急冷急热性主要取决于材料，好的达几百次，差的只有几次。1.8 耐火材料的实际使用温度能否达到其耐火度数值，为什么？ 答：耐火度不能代表耐火材料的实际使用温度。因为在高温下承受载荷时，耐火材料 的软化变形温度要降低，故耐火材料的实际允许最高使用温度比其耐火度

5、低。 1.9 Fe-Cr-Al 电热元件通常用哪种耐火材料作搁砖？为什么? 答：粘土砖对 Fe-Cr-Al 电热元件有腐蚀作用，不能用作搁砖。电热元件搁砖，要求绝 缘，选择高铝砖。 1.10 耐火度的定义是什么？耐火度大于多少度的材料才能称为耐火材料？ 答：耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能，指耐火材料在高温下抵抗熔化的性能。 通常，耐火材料的耐火度1580C，耐火材料也可据此定义。 1.11 为什么普通粘土砖不能砌筑马弗渗碳炉，而抗渗碳砖则可以？答：渗碳炉中可控气氛主要是 CO+H2，在高温下，这些气氛不可能将粘土砖中的主要 成分 Al2O3、 SiO2还原，但是却可以和粘土砖中的杂质 Fe

6、2O3反应 。形成的渗碳体很硬很 脆，使用时很容易剥落，从而造成炉体破坏。另外，由于 Fe2O3还原，砖内变得疏松，C 原子容易进入砖内，而造成膨胀，这样也可能造成炉体破坏。 但是抗渗碳砖中 Fe2O3等杂质含量小于 1，这些气氛和砖中的杂质反应所产生的破 坏效果不明显。 1.12 耐火材料的高温结构强度一般用什么指标评定？该指标如何测试？ 答：高温结构强度一般用荷重软化点来评定。 荷重软化点测试方法：试样直径 36mm，高 50mm，在荷重 2kg/cm2压力下，置于炉 中加热，加热速度是：800 C 时，为100 C/min；800 C 时，为 45 C/min。测 定两个变形温度：试样压

7、缩 0.3mm 或 4%时的温度称为荷重软化开始温度；试样压缩 20mm 或 40%时的温度称为荷重软化终止温度。 第二章第二章 传热理论传热理论 2.1 何为传导传热？何为对流传热？它们之间的差别是什么？ 答：传导传热又称为导热，是指物体之间存在着温差时，热量由物体中温度较高的部 份传至较低的部份；或由一个温度较高的物体传给与之接触的低温物体的传热过程。 对流传热指依靠流体的运动，把热量从一处传递到另一处的现象。 导热的特点：（1）物体各部分之间不发生宏观的相对位移；（2）对于几个物体之间 的导热，必须相互接触；（3）导热在固体、液体、气体中均可进行。 对流传热的特点：（1）有物质宏观运动存

8、在；（2）流体与固体接触。 2.2 辐射换热的概念？它有哪些特点？ 答：辐射传热是由电磁波传递热量的过程。 辐射传热的特点： （1）不需要传热物体或质点的直接接触； （2）热量交换的同时，伴随有能量形式的转化； （3）热量交换具有双向性。即辐射热交换，既可以从高温向低温进行，也可以由低温 向高温进行。 2.3 简要说明温度梯度的概念？ 答：沿温度变化率最大方向,温度变化率的最大值称为温度梯度，用符号 gradt 表示。 2.4 推导单层平壁炉墙的导热公式，推导空心球体的导热公式？ 答：1、单层平壁炉墙的导热：已知：炉墙厚度为 S；内、外表面温度分别为 t1、t2； 内、外表面面积相等：F内F外

9、Fmm2；炉墙热导率为 。 在平壁上 x 处取一个厚度为 dx 的薄层分析： 分离变量： 积分： 所以： （W） 或 （W/m2）实际应用时，注意两个问题： （1）实际炉墙的耐火材料和保温材料的热导率 并非常数， （2）实际炉墙内、外表面积不同， ， ； ， FdxdtQdxFQdt dxFQdtStt 021SFQtt12FSttQ21Sttq21221 00ttbtb均均FSttQ均21均均FSttFSttQ21212内外 FF 2外内 均FFF2f内外 FF外内均FFF2、空心球体的导热 对于球坐标系 稳态导热 ，其中 =k/c 2.5 炉衬厚度的计算。 答：确定炉壳表面温度 t表，选定

10、表面散热量 q； 计算界面温度，求出各层平均热导率； 求炉衬厚度 S；根据导热公式推导出 S，若假设各层界面面积相等，则可以采用简 化公式计算。 炉衬厚度确定贯彻标准化原则，即厚度、宽度和长度均应为砖的整数倍，尤其是厚 度和宽度必须保证。实际设计时，还要考虑砖缝。防止跑火。一般的热处理炉，砖缝取 12mm，而可控气氛炉砖缝要小于 1mm。 2.6 炉墙散热量的计算。 答：根据具体情况选择导热公式求解。 2.7 高速钢常选择在盐浴炉中加热，为什么？ 答：盐浴炉中加热，相对于在水，改变了（淬火）介质的成分，利用盐析出时破坏淬 火件的蒸气膜，削弱边界层厚度，u，Re，Q。 2.8 为什么低温炉内常设

11、置搅拌风扇？ 答：提高空气流速，利用风扇来强制空气高速循环流动，或改变空气的流态，使空气 呈紊流流动。u，Re，Q。 2.9 什么是黑体？如何实现？ 答：若 R0，D0，A1，即射入物体的所有能量全部被吸收，这类物体称为黑体， 或绝对黑体。绝对黑体实现方法：在封闭容器上开一小孔，则进入小孔的辐射能经多次反 射过程后，几乎全部被吸收。此时，称小孔为黑体，而与模型表面吸收率无关。 2.10 简要说明灰体的概念。 答：若： 为定值； 为定值；则称该物体为灰体。 2.11 黑体的吸收率 A 是多少？ 答：黑体：A=1。 2.12 任意物体，其吸收率 A 和黑度 之间有何关系？ 答：任意物体的黑度恒等于

12、它的吸收率。 2.13 说明角度系数的概念。 答：设有任意放置的两个均匀的辐射面 F1及 F2。 由 F1面直接辐射到 F2面上的辐射能 Q12与 F1面辐射出去的总辐射能 Q1之比，称为 F1 面对 F2面的角度系数，以符号 表示。 2.14 计算角度系数。 答：F1面对 F2面的角度系数为 。 规律：（1）若 F1 面是平面或凸面，则 （2）对于由两个物体表面组成的辐射换热封闭体系，根据能量守恒定律，角度系数之 间存在下述关系： （3）对于任意两个辐射表面： 2.15 计算两个大平面之间的辐射换热量。 答：F1 表面的面积、黑度、温度为：F1、1、T1； F2 表面的面积、黑度、温度为：F

13、2、2、T2； 该系统的角度系数为： bEE bII12112 12QQ1121112221011212121FF011112022121cqt rt rrtrrratv sin1)(sinsin1)(1222222 20 t设 T1 T2 ，将角度系数代入辐射换热通式中，可得： 2.16 计算两个大平面之间加隔热屏后的辐射换热量。 答：当有 n 层隔热屏时，在任意两个平面之间辐射换热公式： 在稳定态换热时： 根据合比定律可得： 式中： 若 ， 则 ， 2.17 计算开孔辐射量。 答：炉墙的开孔辐射，可以看作两个平行的黑体表面之间的热交换。还要考虑炉墙对 开孔辐射的热射线的遮蔽作用。（W）式中： 孔口的遮蔽系数，也称为综合角度系数， 2.18 计算综合传热量。 答：一、以辐射传热为主的热处理炉改变公式的形式， 令： ，则： 辐称为辐射传热系数（w/m2.）。 二、辐射和对流同时存在的热处理炉三、通过炉墙的综合传热四、炉墙蓄热计算 设炉墙的体积为 V，体积密度为 ，比热容为 CP。（kJ）