热处理炉 01传热基本原理

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1、1.1第一章 传热基本原理1.1第一章 传热基本原理返回总目录返回总目录 授课人：杨晓敏North University of China College of Materials Science and Engineering2008.01.041.2n 理解传热学中的相关概念及其相互关系;掌 握多层炉壁稳定的传导传热计算方法；掌握 对流传热的条件、特点、规律、影响因素及 炉内传热计算中的应用；掌握辐射传热的特 点；掌握炉内综合传热的计算与应用。了解 金属加热计算。教学提示：教学要求：研究热处理炉内传热的基本任务就是解决 如何把燃料或电产生的热量有效地传递给 工件和如何减少炉子的热损失问题。

2、第一章 传热基本原理1.31-1 基本概念 1-2 传导传热 1-3 对流传热 1-4 辐射换热 1-5 综合换热 1-6 金属加热计算第一章 传热基本原理1.4n 传导传热常称导热，指温度不同的接触的物体 间或一物体中各部分之间依靠分子、原子及自由 电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。传导传热一、传热的基本形式11 基本概念传导、对流、辐射1.5对流传热定义：在工程上，对流传热常指流动的流 体与所接触的固体壁面直接接触，当两者温度 不同时，相互之间进行热量传递过程。11 基本概念1.6辐射换热定义：具有一定温度的物体以电磁波的形式不断地 向外发射辐射能，当投射到与其不相接触的另一物体时

3、 ，便部分地被吸收，吸收了这种电磁波的物体又将其转 化为热能，这种的传热过程为辐射传热。 物体的辐射换热量为该物体吸收的辐射能量与它同 时向外放射的辐射能量差值。11 基本概念1.7二、温度场、温度梯度 1、温度场 （1）定义：传热系统或物体内部的温度随空间 和时间的变化状况。（2）不稳定传热和稳定传热各点温度随时间的变化而变化，称为不稳定温度场。 不稳定温度场内的传热过程称不稳定传热。温度不随时间变化而变化，称为稳定温度场。稳定温 度场中的传热过程称为稳定传热。三向温度场单向温度场11 基本概念1.82、温度梯度 物体(或体系内)相邻两等温面间温度差与两等 温面法线方向距离的比例极限，称为温

4、度梯度。 温度梯度实际上是指温度沿等温面法线方向的变 化率。它是一个向量，并规定由低到高为正，由 高到低为负。11 基本概念t+ t nt1.9三、热流和热流密度热流和热流密度为向量，其方向与温度梯度方向相反。11 基本概念单位时间由高温物体传给低温物体的热量。单位时间单位截面的热流。热流热流密度1.10四、传热的一般方式由壁面一侧的流体通 过壁面传到另一侧流体中 的过程称为传热过程。11 基本概念炉壁的传热1.11K为传热系数w/ （m2.），它表示温差1， 面积为1m2时，单位时间的传热量。其大小反映了传热 过程进行的强烈程度。传热方程:单位时间所传递的热量正比于冷热流 体的温差及传热面积

5、F，可用下式表示：11 基本概念1.12热流密度q为：11 基本概念Rt为整个传热面积上的热阻；rt单位传热面积上的热阻1.13炉壁传热过程的热阻( 等于组成该传热过程串联 的各传热环节的热阻之和) 内表面上的对流和辐射传 热热阻，炉壁内的导热热 阻和外表面上的对流、辐 射传热热阻之和。11 基本概念炉壁的传热1.14一、基本方程式法国傅里叶1822年提出在均质固体中单纯导热的 基本定律：在单位时间内所传导的热量Q与温度梯度 和垂直于热流方向的截面积成正比。热流朝向温度降落的方向。其数字表达式为：12 传导传热热导率（ W/(m. )1.15二、热导率1、物理意义：热导率反映了物体导热能力的大

6、小，物理意义： 单位时间内每米长温度降低1，单位面积能传递的热流 量。 2、影响热导率的因素热导率数值决定与物质内部结构和所处的状态。其 中温度对材料的热导率影响很大。材料的热导率与温度 的变化呈线性关系，即在实际计算中，一般取物体算术平均温度下的热 导率代表物体热导率的平均值。12 传导传热1.163、常见物质的热导率纯金属：金属的热导率较高，与电导率成正比，最大的为银 。热导率随温度的升高而降低。合金：比纯金属低。高合金钢热导率随温度升高而增加，低 合金钢随温度的增加而降低。非金属的固体：除石墨外较高，其他的热导率都较低，并且 热导率随温度的升高而增大。液体：热导率小于固体。除水和甘油外，

7、液体的热导率随温 度的升高而降低。气体：热导率很低，随温度的升高而增加。多孔性和纤维状的物体：有较低的热导率。12 传导传热1.17n 例：1. 耐火砖与红砖砌成的炉墙s1150mm，s2 200mm，11.16w/（m.），20.7w/（m.）， t1=300，t35，求该炉墙单位面积的热损失q和界 面温度？1.18三、平壁炉墙上的导热1、单层平壁稳定导热图1 单层平壁炉墙的导热整个传 热面积 上的热 阻。单位传 热面积 上的热 阻。12 传导传热为常数 内外表面积相等为F1.19三、平壁炉墙上的导热1、单层平壁稳定导热图1 单层平壁炉墙的导热12 传导传热随温度变化而改变的。实际上平壁的内

8、外表面积不相等，取平均面积Fm1.202、多层平壁稳定导热若各层紧密接触：第一层：第二层：第三层：12 传导传热.1.21n层平壁炉墙的导热公式：1.223、复合多层炉墙保温层由硅藻土砖和膨胀蛭石粉等两种材 料筑成，这种炉墙称为复合多层炉墙。以复 合双层为例：严格说，只要保温层中2、3材料热导率不 同，它们间也将产生导热，交界面就不会是 等温面。但当两种材料热导率相差不大时， 交界面接近等温面，可以近似地当作单向稳 态导热来处理。各层热流量：1.233、复合多层炉墙1.24圆筒炉墙的导热井式炉1.25m图3 单层圆筒炉墙的导热四、圆筒炉墙的导热单层圆筒炉墙的稳定导热12 传导传热考虑到实际炉墙

9、的热导率随温度 呈现行变化，热导率应用m代替1.26一、对流换热的计算（牛顿公式）牛顿公式:对流换热的传热量与流体和固体壁面间的温 差和两者的接触面积F成正比，数学表达式为：为对流换热系数W/（m2.），它表示流体与固体表面 之间的温度差为1时，每秒钟通过1 m2面积所传递的热量。13 对流换热1.27二、影响对流换热的因素1、流体流动的动力2、流体的流动状态3、流体的物理性质4、换热面的几何因素13 对流换热1.2813 对流换热 流体流动可分为自然对流和强制流动(或强迫流动)。 自然对流换热的换热系数值较小，其换热系数的计算和 分析主要依据流体和壁面之间的温度差t。 强迫对流换热的换热系数

10、值大于自然对流，其换热系数 的计算和分析主要依据流体的流速V。1、流体流动的动力1.29箱式电阻炉内的自然对流自然对流：流体在固体界面 处被加热或冷却时，其自身 各部分因密度不同而发生的 相对升沉作用，使流体发生 自然对流。在这种状态下的 换热称为自然对流换热。强制对流：流体受外力作用 （泵或风机）发生强迫流动 ，其流速和分子质点运动的 剧烈程度都远大于自然对流 。在这种状态下的换热称强 制对流换热。井式渗碳炉气流状态1.3013 对流换热 流体的流动状态分为层流和紊流；如图： 紊流时的对流换热系数比层流时要大得多； 传热的快慢主要受层流底层的控制，层流底层 厚度层越小，紊流程度越大。即增强流

11、体的紊 流程度，将减薄层流底层的厚度，从而提高对 流换热系数。2、流体的流动状态1.312、流体的流动形态13 对流换热层流：流体质点都平行于固体表面流动。各流层之间 流体质点互不干扰混合，沿壁面法线方向的热量传递只 能依靠层与层之间分子接触的导热。紊流：流体质点不仅沿前进方向流动，而且还向气体 方向作不规则的曲线运动。在紧靠固体表面的薄层仍为 层流，即层流底层，在此层内依靠流体分子导热传递。 层流底层以外，热量的传递主要靠流体质点的急剧混合 作用。1.322、流体的流动形态层流和紊流可用一个无量纲数，即雷诺准数（Re）来判别。当流 体在光滑圆管中流动时，Re小于2100为层流，Re大于230

12、0为紊流， 而Re在21002300之间时，可能为层流，也可能为紊流 。当量直径d=4F/S S:通道横截面周长 F通道横截面面积13 对流换热（a） (b)图1 流体的层流和紊流稳定层流在管道截面上的速度分布呈抛物线状，截面上的平均速 度一般取最大速度的50%。管道截面上的速度靠近壁面处变化最大，而在离流动壁面稍远处 的紊流核心流速呈对数分布，速度变化小。紊流越剧烈，速度越接 近一致。1.332、流体的流动形态13 对流换热u流体的、热导率、比热容C和粘度等 物理性质直接影响流体流动的形态、层流底层 厚度和导热性能等，从而影响对流换热系数。3、流体的物理性质1.342、流体的流动形态13 对

13、流换热4、换热面的几何因素1.35三、热处理炉内的对流换热热处理炉内，根据流体的运动状态，可分为三种情况：自然对流状态在无风机的电阻炉中，炉气常呈自然对流状态。 强迫对流炉气呈紊流状态强迫流动电阻炉内和燃料炉排烟道内炉气一般呈紊流状态。强迫对流炉气呈层流状态直通式燃料炉，当炉气流速很小时，炉气一般呈层流状态。13 对流换热1.36几种不同条件的对流换热系数的计算公式：t1为炉墙、炉顶或炉底的外表面温度。 t2为车间温度 A为系数。炉顶A=3.26；侧墙A=2.56；架空炉底A=1.63W/（m2.）13 对流换热1、自然对流时的对流换热系数（炉墙、炉顶和架空炉底与 车间空气间的对流均属于自然对

14、流换热）1.3713 对流换热自然对流过程： 温度升高上浮外层补充换热系数变化： 较大减小增大稳定1.3813 对流换热炉顶自然对流1.3913 对流换热架空炉底的自然对流1.40（1）炉气在管道内作紊流流动时的对流换热系数vt炉气的实际流速；d通道的当量直径(m)；Z炉气温度系数；KL通道长度L与d比值的系数；KH2O炉气中水蒸气含量的系数。13 对流换热2、强制对流时的对流换热系数1.41（2）、气流在通道内层流流动时气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的 热导率，而与炉气的流速无关，其对流换热系数可用下 述近似公式计算：炉气的热导率W/（m.）d通道的当量直径(m)。13 对流换

15、热1.42（3）气流沿平面强制流动时表l 对流换热系数计算v0为标准状态下的气流速度，若气流温度不是标准状态下的要换 算成状态下。13 对流换热1.43（4）气流沿长形工件强制流动时的对流换热系数vt炉膛内循环空气的实际流速。K取决于炉温的系数。 13 对流换热1.44例：设有一台空气循环电炉，循环空气温度500,炉内 加热金属板，面积为1m2，求当循环空气的实际流速分别为 5、10和20m/s，金属板温度为100时的对流换热热流密度 。1.45四、强化炉内对流换热的途径1、提高流体速度2、加大换热温差3、增大换热面积13 对流换热1.461、热射线：从理论上讲，物体热辐射的电磁波波长可以 包括0整个波段范围，不同波长的电磁波投射到物体时 ，可产生不同的效应，其中可见光和红外线的电磁波被物 体吸收后能显著变为热能而使物体加热，因而称为热射线 。物体间通过热射线在空间传递热能的过程叫辐射换热。一、基本概念14 辐射换热一、基本概念1.47图l 辐射能的吸收、反射和透射2、绝对黑体的概念 当能量为Q的一束热射线投射到物体上，如图1所示：为物体的吸收率；A表示为物体的反射率；R表示 为物体的透射率。D表示A+R+D=114 辐射换热QA+QR+QD=Q1.48A=1时，辐射能全部被物体吸收，这种物体叫“绝对黑