【正文】 第一章 傳熱基本原理 第一章 傳熱基本原理 返回總目錄 授課人：楊 曉敏 North University of China College of Materials Science and Engineering ? 理解傳熱學(xué)中的相關(guān)概念及其相互關(guān)系 。掌握多層爐壁穩(wěn)定的傳導(dǎo)傳熱計(jì)算方法；掌握對(duì)流傳熱的條件、特點(diǎn)、規(guī)律、影響因素及爐內(nèi)傳熱計(jì)算中的應(yīng)用；掌握輻射傳熱的特點(diǎn)；掌握爐內(nèi)綜合傳熱的計(jì)算與應(yīng)用。了解金屬加熱計(jì)算。 教學(xué)提示： 教學(xué)要求： 研究熱處理爐內(nèi)傳熱的基本任務(wù)就是解決如何把燃料或電產(chǎn)生的熱量有效地傳遞給工件和如何減少爐子的熱損失問(wèn)題。 第一章 傳熱基本原理 11 基本概念 12 傳導(dǎo)傳熱 13 對(duì)流傳熱 14 輻射換熱 15 綜合換熱 16 金屬加熱計(jì)算 第一章 傳熱基本原理 ? 傳導(dǎo)傳熱常稱導(dǎo)熱，指溫度不同的接觸的物體間或一物體中各部分之間依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行的熱量傳遞現(xiàn)象 。 傳導(dǎo)傳熱 一、傳熱的基本形式 167。 1－ 1 基本概念 —— 傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射 對(duì)流傳熱 定義：在工程上，對(duì)流傳熱常指流動(dòng)的流體與所接觸的固體壁面直接接觸，當(dāng)兩者溫度不同時(shí)，相互之間進(jìn)行熱量傳遞過(guò)程。 167。 1－ 1 基本概念 輻射換熱 定義：具有一定溫度的物體以電磁波的形式不斷地向外發(fā)射輻射能，當(dāng)投射到與其不相接觸的另一物體時(shí)，便部分地被吸收，吸收了這種電磁波的物體又將其轉(zhuǎn)化為熱能，這種的傳熱過(guò)程為輻射傳熱。 物體的輻射換熱量為該物體吸收的輻射能量與它同時(shí)向外放射的輻射能量差值。 167。 1－ 1 基本概念 二、溫度場(chǎng)、溫度梯度 溫度場(chǎng) （ 1）定義：傳熱系統(tǒng)或物體內(nèi)部的溫度隨空間和時(shí)間的變化狀況 。 （ 2）不穩(wěn)定傳熱和穩(wěn)定傳熱 各點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化而變化，稱為 不穩(wěn)定溫度場(chǎng) 。不穩(wěn)定溫度場(chǎng)內(nèi)的傳熱過(guò)程稱 不穩(wěn)定傳熱 。 溫度不隨時(shí)間變化而變化，稱為 穩(wěn)定溫度場(chǎng) 。穩(wěn)定溫度場(chǎng)中的傳熱過(guò)程稱為 穩(wěn)定傳熱 。 ? ?t = f x , y , z ,? ? ?t = f x,?三向溫度場(chǎng) 單向溫度場(chǎng) 167。 1－ 1 基本概念 溫度梯度 ?物體 (或體系內(nèi) )相鄰兩等溫面間溫度差與兩等 溫面法線方向距離的比例極限，稱為 溫度梯度。 ?溫度梯度實(shí)際上是指溫度沿等溫面法線方向的變 化率。它是一個(gè)向量，并規(guī)定由低到高為正，由 高到低為負(fù)。 l i m0ttg r a d tnnn??????????????167。 1－ 1 基本概念 t+ t n t 三、熱流和熱流密度 熱流和熱流密度為向量，其方向與溫度梯度方向相反。 167。 1－ 1 基本概念 2/)Qq W mF? （? ?WsJQ ,/,—— 單位時(shí)間由高溫物體傳給低溫物體的熱量。 ? ?221 , ??? ??? mWmsJq—— 單位時(shí)間單位截面的熱流。 熱流 熱流密度 四、傳熱的一般方式 t? 由壁面一側(cè)的流體通過(guò)壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體中的過(guò)程稱為 傳熱過(guò)程 。 167。 1－ 1 基本概念 爐壁的傳熱 Q K F t??t? K為傳熱系數(shù) 〔 w/ （ m2.℃ ） 〕 ，它表示溫差 1℃ ，面積為 1m2時(shí)，單位時(shí)間的傳熱量。其大小反映了傳熱過(guò)程進(jìn)行的強(qiáng)烈程度。 傳熱方程 :單位時(shí)間所傳遞的熱量正比于冷熱流體的溫差及傳熱面積 F，可用下式表示： 167。 1－ 1 基本概念 Q K F tq K tFF?? ? ? ?熱流密度 q為： 1tR KF?1tr K?1 tttQRKF????1 tttqrK???? 167。 1－ 1 基本概念 Rt為整個(gè)傳熱面積上的熱阻； rt單位傳 熱面積上的熱阻 爐壁傳熱過(guò)程的熱阻(等于組成該傳熱過(guò)程串聯(lián)的各傳熱環(huán)節(jié)的熱阻之和 )內(nèi)表面上的對(duì)流和輻射傳熱熱阻，爐壁內(nèi)的導(dǎo)熱熱阻和外表面上的對(duì)流、輻射傳熱熱阻之和。 167。 1－ 1 基本概念 爐壁的傳熱 dtQFdx? ? ?Q dtqF dx? ? ? ?一、基本方程式 法國(guó)傅里葉 1822年提出在均質(zhì)固體中單純導(dǎo)熱的基本定律： 在單位時(shí)間內(nèi)所傳導(dǎo)的熱量 Q與溫度梯度和垂直于熱流方向的截面積成正比 。 熱流朝向溫度降落的方向。其數(shù)字表達(dá)式為： 167。 1－ 2 傳導(dǎo)傳熱 熱導(dǎo)率（ W/(m. ℃ )) 0t bt? ? ? ?二、熱導(dǎo)率 物理意義： 熱導(dǎo)率反映了物體導(dǎo)熱能力的大小， 物理意義 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)每米長(zhǎng)溫度降低 1℃ ，單位面積能傳遞的熱流量。 影響熱導(dǎo)率的因素 熱導(dǎo)率數(shù)值決定與物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和所處的狀態(tài)。其中溫度對(duì)材料的熱導(dǎo)率影響很大。材料的熱導(dǎo)率與溫度的變化呈線性關(guān)系，即 在實(shí)際計(jì)算中，一般取物體算術(shù)平均溫度下的熱導(dǎo)率代表物體熱導(dǎo)率的平均值。 1 2 1 20 22m ttb ? ? ? ?? ? ? ? ?167。 1－ 2 傳導(dǎo)傳熱 常見物質(zhì)的熱導(dǎo)率 純金屬： 金屬的熱導(dǎo)率較高，與電導(dǎo)率成正比，最大的為銀。熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低。 合金： 比純金屬低。高合金鋼熱導(dǎo)率隨溫度升高而增加，低合金鋼隨溫度的增加而降低。 非金屬的固體 ：除石墨外較高，其他的熱導(dǎo)率都較低，并且熱導(dǎo)率隨溫度的升高而增大。 液體： 熱導(dǎo)率小于固體。除水和甘油外，液體的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低。 氣體： 熱導(dǎo)率很低，隨溫度的升高而增加。 多孔性和纖維狀的物體： 有較低的熱導(dǎo)率。 167。 1－ 2 傳導(dǎo)傳熱 ? 例： 1. 耐火磚與紅磚砌成的爐墻 s1＝ 150mm， s2＝200mm， λ1 ＝ （ m.℃ ）， λ2 ＝ （ m.℃ ），t1=300℃ ， t3＝－ 5℃ ，求該爐墻單位面積的熱損失 q和界面溫度？ 三、平壁爐墻上的導(dǎo)熱 單層平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱 圖 1 單層平壁爐墻的導(dǎo)熱 dtQFdx? ??Q d x F d t? ??210x s txtQ d x F d t??? ? ???? ? 1212 ttFQ t t ssF??? ? ??? ? 1212 ttq t t ss ??? ? ??整個(gè)傳熱面積上的熱阻。 單位傳熱面積上的熱阻 。 167。 1－ 2 傳導(dǎo)傳熱 λ為常數(shù) 內(nèi)外表面積相等為 F 三、平壁爐墻上的導(dǎo)熱 單層平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱 圖 1 單層平壁爐墻的導(dǎo)熱 167。 1－ 2 傳導(dǎo)傳熱 210)x s txtQ d x F b t d t? ??? ? ???? ＋? ?121212)2mttbFttQ t tssF?????? ? ??＋λ隨溫度變化而改變的。 實(shí)際上平壁的內(nèi)外表面積不相等，取平均面積 Fm 2 1 212121222 F FmmF F FFFFFF?? ? ??? 多層平壁穩(wěn)定導(dǎo)熱 若各層緊密接觸： 第一層： 第二層： 第三層： 167。 1－ 2 傳導(dǎo)傳熱 ? ?? ?? ?111 1 21222 2 32333 3 431 2 3mmmmmmFQ t tsFQ t tsFQ t tsQ Q Q Q?????????? ? ?. ? ? 1212 ttFQ t t ssF??? ? ?? 143121 1 2 2 3 3141 2 3R R Rm m m m m mttQsssF F FttQ????? ? ??＝＋ ＋11121 1 2 2nnnm m m m m n m nttQsssF F F???? ? ?????? ? ? n層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式： 復(fù)合多層爐墻 保溫層由硅藻土磚和膨脹蛭石粉等兩種材料筑成，這種爐墻稱為復(fù)合多層爐墻。以復(fù)合雙層為例： 嚴(yán)格說(shuō)，只要保溫層中 3材料熱導(dǎo)率不同，它們間也將產(chǎn)生導(dǎo)熱，交界面就不會(huì)是等溫面。但當(dāng)兩種材料熱導(dǎo)率相差不大時(shí)，交界面接近等溫面，可以近似地當(dāng)作單向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱來(lái)處理。各層熱流量： 復(fù)合多層爐墻 1211m m 1ttQsF?????2 3 2 3223m 2 m 2 m 3 m 3t t t tQssF F???? ?＋1312m 1 m 1 m 2 m 2 m 3 m 31m 1 m 121ttQssF F Fst t QF??? ? ??＋＋＝ －12Q Q Q＝ ＝ 圓筒爐墻的導(dǎo)熱 井式爐 m 圖 3 單層圓筒爐墻的導(dǎo)熱 四、圓筒爐墻的導(dǎo)熱 單層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱 167。 1－ 2 傳導(dǎo)傳熱 考慮到實(shí)際爐墻的熱導(dǎo)率隨溫度呈現(xiàn)行變化，熱導(dǎo)率應(yīng)用 λm代替 ? 一、對(duì)流換熱的計(jì)算（牛頓公式） 牛頓公式 :對(duì)流換熱的傳熱量與流體和固體壁面間的溫 差和兩者的接觸面積 F成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 為 對(duì)流換熱系數(shù) 〔 W/（ m2.℃ ） 〕 ，它表示流體與固體表面之間的溫度差為 1℃ 時(shí)， 每秒鐘通過(guò) 1 m2面積所傳遞的熱量。 167。 1－ 3 對(duì)流換熱 二、影響對(duì)流換熱的因素 流體流動(dòng)的