《传热基本原理》PPT课件.ppt

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1、1,第一章 传热基本原理,热处理炉的主要任务是加热金属工件，它不但要保证生产率及实现既定的工艺参数(加热温度、加热速度、温度的均匀性、炉膛气氛的成分等)，满足工件的技术要求，而且还应控制炉内的热交换过程，降低热损失，节省能源，降低加热成本。传热学是研究热的传播与交换的基本规律。在炉内进行着各种复杂的传热过程，因此掌握传热的基本规律，对炉子的设计及操作是很重要的。,2,本章重点研究热处理炉内的传热问题，为炉子设计、制造、操作及节能打好理论基础。1-1 基本概念 传热或换热:热量从一物体传向另一物体或由同一物体的某一部分传向另一部分的过程。热处理炉内进行的热传递过程尽管比较复杂，但也是传导、对流、

2、辐射三种基本形式组成的综合传热过程。,3,一、传热的基本形式 1、传导传热 温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间热能的传递过程。2、对流传热 流体在流动时，流体质点发生位移和相互混合而发生的热量传递。,4,3、辐射传热 辐射：任何物体在高于热力学零度时，都会不停地向外发射粒子(光子)的现象。辐射传热：辐射不需任何介质。物体间通过辐射能进行的热能传递过程。,5,传热过程中伴随着能量的转化，即从热能到辐射能以及从辐射能又转化为热能。如果系统中有两个或两个以上温度不同的物体，它们都同时向对方辐射能量和吸收投射于其上的辐射能量。它们之间由于相互辐射而发生的热量传递过程，称为辐射传热或辐射换热。,6

3、,二、温度场与温度梯度 1、温度场 温度场是描述物体中温度的分布情况，它是空间坐标和时间坐标的函数，即：(1-1)式中：x,y,z 该点的空间坐标；时间坐标。这个函数叫温度场函数。若物体的温度沿x、y、z三个方向都有变化，称三向温度场；若只在一个方向上有变化，则称单向温度场，即：(1-2),7,如果物体各点温度不随时间变化称为稳定温度场。这时温度分布函数简化为：(1-3)如果物体各点的温度随时间的变化而变化，此时的温度场称不稳定态温度场，这种传热过程叫不稳定态传热。如升温状态下炉壁的传热。,8,2、温度梯度 等温面：在温度场内，同一时刻具有相同温度各点连接成的面。温度梯度：物体(或体系内)相邻

4、两等温面间的温度差t与两等温面法线方向的距离n的比例极限。用下式来表示：（/m）(1-4)温度梯度是表示温度变化的一个向量，其数值等于在和等温面相垂直的单位距离上温度变化值，并规定由低到高为正，由高到低为负。,9,三、热流和热流密度 热流：单位时间内由高温物体传给低温物体的热量叫热流或热流量，用Q表示，单位为W，即J/s。热流密度：单位时间内通过单位传热面积的热流，称为热流密度，用q表示，单位为W/m2，即（W/m2）(1-5)热流、热流密度都为向量，其方向与温度梯度方向相反。,10,l-2 传导传热 一、传导传热的基本方程式 导热基本方程式，即博立叶定律。（W/m2）(1-6)式中：Q 沿n

5、方向的热流量(w)；q 热流密度(Wm2)；F 与热流方向垂直的传热面积(m2)；比例系数，称为热导率W/(m)温度梯度(m)，负号表示热流方向与温度梯度方向相反。,11,二、热导率 为在单位时间内，每米长温度降低1时，单位面积能传递的热流量。用表示，单位为w(m)。材料的热导率与温度的变化呈线性关系，即(17)式中：t t时材料的热导率；0 0时材料的热导率；b 材料的热导率温度系数，因材料而异。,12,在实际计算中，为简化计算过程，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。,式中 t均 平均温度（），,13,三、平壁炉墙上的导热 1、单层平壁炉墙的稳定导热 设单层平壁炉墙(图

6、1-1)，其壁厚为s，材料的热导率不随温度变化，表面温度分别为t1和t2(t1t2)，并保持恒定。若平壁面积是厚度的810倍时，可忽略端面导热的影响，误差小于1。平壁温度只沿垂直于壁面x轴方向变化，所以它是单向稳定态导热问题。,14,为了求出通过这一平壁炉墙的热流密度，在平壁内取一厚度为dx的单元薄层，设其两侧的温度差为dt，根据傅立叶定律，通过这一单元薄层的热流密度分离变量后积分得故热流密度：（W/m2）(1-8),15,若平壁炉墙的面积为F，而且内外表面积相等，则在1小时内通过F面积所传导的热流量（W）(1-9)在上两式中，s/为单位面积的平壁热阻，s/（F）是面积为F的平壁热阻。由此可见

7、，热流量与温度差(t1-t2)成正比，与热阻s/（F）成反比。,16,实际的平壁炉墙(如箱式炉炉墙)面积并非很大，而且其内外表面积也不相等，因而它的导热面是变化的。这时上式中的导热面积应该用平均面积代替，一般按如下方法近似计算。,17,当F2/F12时，用算术平均面积，即(m2)(1-10)当F2/F1 2时，用几何平均面积，即(m2)(1-11)式中：F1、F2 分别为单层平壁炉墙的内、外表面积(m2)。,18,2、多层平壁炉墙的稳定导热 一般热处理炉的炉墙，大多为两层或三层不同材料砌成的(图12)，设炉墙界面温度依次为t1、t2、t3、t4(t1t2t3t4)，各层厚度为s1、s2、s3，

8、各层间紧密接触。各层的热导率用1、2、3表示。,19,第一层：（a）第二层：（b）第三层：（c）,在稳定态导热时，通过平壁炉墙各层的热流或热流密度应相等。根据式(18)可分别写出通过各层的热流密度：,20,由上述三个方程可求出三个未知量q、t2和t3，由于是温度的函数，由上页式(a)(c)经运算得：(W/m2)(1-12),21,同理，n层平壁炉墙的导热公式(W/m2)(1-13)若多层炉墙的总热阻已知，则各层间的界面温度可由下式求得：()(1-14),22,在求界面温度时，必须先根据经验设一界面温度，然后根据假设温度算出各层的值及总热阻，再代入式(114)求得界面温度。如果计算界面温度和假设

9、温度相差较少(5以下)，即可采用；如果相差大于5，应重新假设再进行计算，直到误差小于5为止。一般规定炉墙外表面温度为50。,23,对各层导热面积不同的n层平壁炉墙，则应用下述公式计算热流量。(W)(1-15),24,上式中Fi为第i层的平均传热面积，其计算方法与单层平壁炉墙相同，对于已经运行到稳定态后的热处理炉，只要测量炉墙内外表面温度后，就可算出它的导热损失及其界面温度。由上式可知，多层壁的热流量决定于总温差和总热阻，而总热阻等于各层热阻之和。,25,举例：一炉墙内层由轻质耐火粘土砖（QN）-1.0砌成，厚度为113mm，外层由A级硅藻土砖砌成，厚度为230mm，炉墙内表面温度为950，试求

10、1m2炉墙面积上的导热损失。,26,解：通过两层炉墙导热的热流密度的计算公式为：,可见，要计算q，需先计算1、2，t2、t3未知。需要假设t2，然后核算。假设t2810、t350，则：t1t3900；S1=0.113m；S2 0.23m,27,轻质耐火粘土砖的热导率1为：10.29+0.2610-3t均（W/(m.)）,（W/(m.)）,硅藻土砖的热导率2为：,（W/(m.)）,28,将求得的1和2代入计算公式，即可求得热流密度值：,（W/m2）,验算界面温度：,（）,29,与原假设误差为：,误差小于5，故原假设的t2可用。,30,四、圆筒炉墙的导热 1、单层圆筒炉墙的稳定导热 设单层圆筒炉墙

11、的内外半径为r1、r2，高度为L(Lr2)，内外表面温度分别为恒定的温度t1和t2(图1-3)，且t1t2，炉墙材料的热导率为常数，因此这是单向稳定态导热问题。,31,为了导出圆筒炉墙的导热公式，在圆筒炉墙内的半径r处，取一厚度为dr的单元圆筒，其两侧温度差为dt，根据傅立叶定律，在单位时间内通过此单元圆筒传导的热流量为：(1-16),32,因Q、L、为常数(不随r变化)，分离变量后积分 积分后得,33,为了便于与传热一般方程和平壁炉墙的导热公式进行比较，上式可改写成 式中，它是圆筒炉墙的对数平均面积，其中F1、F2分别为内外表面积，s为单层圆筒炉墙的厚度。这时圆筒炉墙内的温度分布按对数规律变

12、化。,34,考虑到实际炉墙的热导率随温度呈线性变化，这时上式中也用热导率平均值代入。由此可见，圆筒炉墙和平壁炉墙传导热流量的计算公式在形式上完全相同。工程上为了计算方便，当F2/F12时，可用算术平均面积代替对数平均面积。这样简化，Q值的计算结果要偏大些，但其计算误差不超过4。,35,2、多层圆筒炉墙的稳定导热 对于由n层组成的多层圆筒炉墙，若已知其内外表面的恒定温度分别为t1和tn+1，(t1tn+1)，各层的内外半径以及各层的材料和圆筒炉墙的高度L也已知，并假定各层间紧密接触，求通过这n层圆筒炉墙的导热热流及各交界面温度。这也是个单向稳定态导热问题，可用下式进行运算。,36,多层(n层)圆

13、筒炉墙的导热热流量 如果圆筒炉墙各层的内外高度不等，则热流量用下式计算,37,式中，si/（iFi）为第i层圆筒炉墙的热阻，其计算方法与单层圆筒炉墙相同。由此可见，和多层平壁炉墙一样，多层圆筒炉墙的总热阻等于各层炉墙热阻之和。各层的界面温度按式(1-14)计算，但这时公式中各层的热阻为圆筒炉墙各层的热阻。,38,在工程上对流传热主要发生在流体与固体表面之间，此时既包括流体质点位移所产生的对流作用，也包括流体质点间的导热作用，这种对流传热称为对流给热。在热处理炉上，对流换热主要发生在炉气、盐浴炉中的熔盐、流动粒子炉中流动粒子与工件表面之间的传热以及炉墙外表面与车间空气之间的传热等。,1-3 对流

14、换热,39,一、对流换热的计算 牛顿公式对流换热所传递的热流量与流体和固体表面间的温度差以及两者的接触面积成正比。其数学表达式为式中：Q 单位时间内对流换热量，即热流量(w)；q 单位时间内，在单位传热面积上的对流换热量，即热流密度（W/m2）；t1-t2 流体与固体表面的温度差()；F 流体与固体的接触面积(m2)；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1m2面积所传递的热量。,40,牛顿公式的形式很简单，将影响对流换热的各因素都集中在对流换热系数上。计算对流换热量主要就是求出各种具体条件下的对流换热系数。影响对流换热的因素很多，如：流体流动的动力；流体的

15、流动状态；流体的物理性质；流体与固体接触表面的几何形状、大小、放置位置；粗糙程度以及固体表面与流体的温度等。,41,1、流体流动的动力 按流体流动动力的来源不同，流体流动可分为自然流动和强制流动(或强迫流动)。自然流动 由于流体内存在温度差，造成流体内各部分密度不同而引起的流动。所进行的换热称为自然对流换热，是流体和温度不同的固体表面接触的结果，流动速度与流体性质、固体表面的位置等因素有关。传热强度主要取决于温度差。,42,强制流动 流体受外力(如风机、搅拌机等)作用而发生的流动。所进行的换热称强制对流换热，其换热强度主要取决于流体的流动速度。,43,2、流体的流动状态 流体的流动状态分为层流

16、和紊流。层流流动时，流体的质点都平行于固体表面流动(图14(a)，流体与固体表面之间的热量传递主要靠互不干扰的流层导热，而其热流方向垂直于流体的流动方向。紊流流动时，流体质点不仅沿前进方向流动，而且还向其它方向做不规则的曲线运动(图14(b）。,44,紊流流动时，流体内各质点发生急剧的混合，而流体在宏观上还是向前流动的，但在紧靠固体表面的薄层中仍为层流，即为层流底层。在层流底层中，热量的传递靠流体的导热，而在层流底层以外，热量的传递主要靠流体质点的急剧混合(涡旋混合)作用，所以它是传导传热和流体质点混合作用共同作用的结果。但传热的快慢主要受层流底层的控制。由于层流底层很薄，故紊流时的对流换热系

17、数比层流时要大得多。,45,判别层流和紊流的方法 层流和絮流可用一个无量纲数，即雷诺数(Re)来判别。式中：流体的流速(m/s)；d 通道的当量直径(m)，d=4F/s，s为通道横截面周长(m)，F为通道横截面积(m2)；流体的密度(kg/m2)；流体的粘度(N.s/m2),46,当雷诺数小于临界雷诺数时，流体质点作线状流动，为层流。当雷诺数大于临界雷诺数时，导致流体质点作无规则的随机流动，为紊流。当流体在光滑圆管中流动时，Re小于2100为层流；Re大于2300为紊流；21002300时，可能为层流，也可能为紊流。,47,3、流体的物理性质 影响对流换热的流体物理参数主要是热导率、比热容、密

18、度和粘度。直接影响流体的流动形态、层流底层厚度和导热性等，从而影响对流换热系数。热导率大的流体，对流换热系数就大。如水的热导率是空气热导率的20多倍，因而水的对流换热系数比空气高。比热容大的流体，对流换热系数也大。粘度大的流体对流换热系数小，而密度大的流体对流换热系数大。,48,4、固体的表面形状、大小和放置位置 不论是自然对流还是强制对流，传热面的形状和大小，都要影响流体传热面附近的流动情况，从而影响对流换热系数的大小。同一固体表面，如果放置位置不同，则对流换热系数数值也各不相同。如：垂直平面放热（由下至上为层流区、过渡区、絮流区）、水平上表面放热（形成许多气柱）、水平下表面放热（层流）等。

19、如图所示,49,三、对流换热系数的确定 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换热均属自然对流换热，其对流换热系数一般用下述经验公式确定 w/(m2.)（1-24）式中：t1 炉墙、炉顶或炉底的外表面温度()；t2 车间温度；A系数。炉顶A3.26；侧墙A2.56；架空炉底A1.63。,50,2、强制对流时的对流换热系数（1）电阻炉内强制对流给热系数 电阻炉内因安装风扇，炉气采取强制循环时，炉气对工件表面的给热系数可用下式计算,式中 g炉气的流速(ms)；K 取决于炉温的系数(见下表),51,(2)气流沿平面强制流动时 其对流换热系数w/(m2.)值可按表11的近

20、似公式计算。,表1l中的0为标准状态下的气流速度，若气流温度为t 时的实际流速为t，则用下式计算：,52,(3)气流沿长形工件强制流动时 当加热长形工件时，循环空气对工件表面的对流换热系数可用下述近似公式计算：式中：t炉膛内循环空气的实际流速(m/s)；K 取决于炉温的系数(见表l2)。,53,(4)炉气在管道内紊流流动时 炉气在管道内紊流流动时，其对流换热系数可用下式计算：式中：t炉气的实际流速(m/s)；d 通道的当量直径(m)；Z 炉气温度系数(见表l3)；KL 通道长度L与d比值的系数(见表14)；KH2O 炉气中水蒸气含量的系数(见表l5)。,54,(5)气流在通道内层流流动时 气流

21、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：式中：炉气的热导率w/(m)d 通道的当量直径(m)。,55,l一4 辐射换热 辐射传热与传导和对流传热有本质的不同。传导和对流传热必须通过中间介质才能进行，而辐射传热不需要任何中间介质。而是热能转变为辐射能并以电磁波的形式向外放射，当它落到其它物体上时，有一部分被吸收并转变为热能而使物体加热。辐射能的载体是电磁波，其波长从1m到若干米，它包括x射线、紫外线、可见光、红外线和无线电波等。各种不同波长的射线具有不同的性质。可见光(波长从0.40.8m)和红外线(波长从0.840m)能被物体吸

22、收转化为热能，称它们为热射线。这种热能传播的过程叫做热辐射。,56,一、绝对黑体的概念 各种不同波长的射线具有不同性质，可见光和红外线能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。热射线和可见光的本性相同，光的传播、反射和折射的定律可以完全应用于热射线上。各种物体由于原子结构和表面状态的不同，其辐射和吸收热射线的能力有明显差别。,57,当能量为Q的一束热射线投射到物体表面时，也和可见光一样，一部分能量QA将被吸收，一部分能量QR被反射，还有一部分能量QD透射过物体(如图15)。,58,按能量守恒定律则有式中：物体的吸收率，用A表示；物体的反射率，用R表示；物体的透射率，用D表示。则 A+R+D 1(

23、130),59,如果A=1，则RD0，即辐射能全部被吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体。如果R1，则AD0，即辐射能全部被反射，这种物体称绝对白体，简称白体。如果D1，则A=R0，即辐射能全部被透过，这种物体称绝对透过体，简称透过体。,60,自然界中并没有真正绝对的黑体、白体和透过体。煤烟炱和丝绒最接近黑体，其A约为0.97。氧、氮及空气等D1，称为绝对透明体。固体和液体对于辐射能实际上都是不透过体，即D0，所有气体对于辐射能都没有反射能力，即R0。,为研究方便，人们用人工方法制成黑体模型。在温度均匀、不透过热射线的空心壁上开一小孔(见图l6)，,61,此小孔具有绝对黑体性质：所有进入小孔的辐

24、射能，在多次反射过程中几乎全部被内壁吸收。小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔越接近黑体。当它们的面积比小于0.6，空腔内壁的吸收率为0.8时，则小孔的吸收率A大于0.998，非常接近黑体。,62,二、黑体辐射基本定律 1、普朗克定律 普朗克定律：黑体在不同温度下的单色辐射力I0(角标“0”表示黑体)随波长的分布规律，即式中：波长(m)；T 黑体表面的绝对温度(K)；e 自然对数的底数；C1 常数，其值为3.7341016(w.m2)；C2 常数，其值为1.438710-2(mK)。,63,将式(1-31)画成图1-7，可以更清楚地显示不同温度下黑体的I0按波长分布情况。从该图可得下述规律：,

25、(1)黑体在每一个温度下，都可辐射出波长从0到的各种射线，当趋近于0或时，I0值也趋近于零。,64,(2)在每一温度下，I0随波长变化有一最大值，当温度升高，其最大值向短波方向移动。它们存在如下关系，即维思(wien)定律：（mK）(1-32)式中：m 物体表面最大单色辐射力所对应的波长。由维恩定律可知，对应最大辐射力的波长与绝对温度的乘积为常数，如果知道对应于最大辐射力的波长便可求出辐射体的表面温度。也就是利用观察火色来判别加热温度的理论依据。,65,2、斯蒂芬波尔兹曼定律 在一定温度下单位面积上，单位时间内发射出各种波长的辐射能量的总和，称为该温度下的辐射力，用E表示。黑体的辐射力E0为

26、积分后改写成 式中：C0-黑体的辐射系数，其值为5.675w/(m2K4)。表明黑体的辐射力与绝对温度的四次方成正比，称为辐射四次方定律，也叫斯蒂芬波尔兹曼定律。,66,3、灰体和实际物体的辐射力 如果某物体的辐射光谱是连续的，光谱曲线与黑体的光谱曲线相似，而且它的单色辐射力I与同温度、同波长下黑体的单色辐射力I0之比为定值，并且与波长和温度无关，即,那么，这种物体为灰体，称为灰体的单色黑度，或单色辐射率。上述关系可用图1-8表示。,67,4、克希荷夫定律 物体的辐射和吸收是物体同一性质的两种形式。克希荷夫定律揭示了灰体的吸收率和黑体之间的定量关系。,设有两个相距很近，面积相等的平行大平面(如

27、图1-9)，两者温度相同，中间为完全可以透过辐射力的空间，且不受外界影响，F1面为任意灰体，其吸收率为A1，黑度为1，F0面为黑体，其吸收率为1。由F0面向F1面辐射的辐射力E0，其中有E0 A1部分被F1面所吸收；同时，由F1面所辐射的辐射力E1E01，也全部被F0面所吸收。,68,由于两平面的温度相等，它们在辐射换热过程中没有热量的损失，体系处于平衡状态。则F1面的热支出就等于热收入，热平衡方程为：式(137)即为克希荷夫定律的数学表达式。可描述为：热平衡条件下，黑体辐射能的吸收率等于同温度下该灰体的黑度。凡吸收率大的物质，其辐射率也大。,69,三、两物体间的辐射热交换 1、角度系数 物体

28、辐射热交换量，与辐射面的形状、大小和相对位置有关。任意放置的两个均匀辐射面，其面积为F1及F2，由F1直接辐射到F2上的辐射Q12与F1面上辐射出去的总辐射能Q1之比，称为Fl对F2的角度系数，以12表示。同理式中：Q21 F2辐射到Fl 上的辐射能（w）；Q 2 F2辐射出去的总辐射能(W)。角度系数只决定于两个换热表面的形状、大小以及两者间的相互位置、距离等几何因素，而与它们的温度、黑度无关。,70,在热处理炉的辐射换热计算中，最基本的是由两个表面组成的封闭系统。根据角度系数的上述规律可得下列最常见的几种封闭体系内角度系数值。(1)两个相距很近的平行大平面，如图1-10(a)，12 l，2

29、1 l。(2)两个很大的同轴圆柱表面，如图1-10(b)所示，它相当于长轴在井式炉内加热时的情况。这时 21l，12F2/F1。(3)一个平面和一个曲面，如图1-10(c)所示，它相当于平板在马弗炉内加热时的情况，这时21l，12F2/F1。,71,设有两个相互平行、相距又很近的大平面，面积为Fl=F2=F(图1-11)，各自的表面温度均匀，并保持恒定，其表面温度分别为T1、T2，并且T1T2。两平面间的介质为透过体。若F1面辐射出的能量为Q1，全部投到F2面并全部被吸收，同时F2面辐射出的能量为Q 2，也全部投到F1面并全部被吸收。因T1T2，F1面辐射给F2面的热量较多，最终F2面能获得的

30、能量等于两个面所辐射出的能量之差，即Q12Q1-Q2或,2、封闭体系内两个大平面间的辐射换热,72,如果两平面都是灰体，则如图111(b)所示，辐射热交换过程较为复杂，经数学方法导出Fl面给F2面的能量 C导 导来辐射系数；C1 F1面的灰体辐射系数；C2 F2面的灰体辐射系数。,73,将C1=1Co，C22Co代入(142)式则式中：11物体的黑度；22物体的黑度。,74,在实际情况下，辐射面的形状、大小和相互位置是多样的，辐射热交换不仅与两面的温度和黑度有关，而且还与它们间的角度系数有关。因此，在封闭体系内任意面之间辐射热交换的计算公式为：,75,如果辐射面是两个相互平行大平面，因1221

31、l，则，即(143)式。,76,四、有隔热屏时的辐射换热 为削弱两表面间的辐射换热量，可在两表面之间设置隔热屏(见图1-12)。隔热屏对整个系统不起加入或移走热量的作用，仅是在热流途中增加热阻，可减少单位时间的换热量。,77,当两平行大平面之间加隔热屏时，设两辐射面的温度为T1、T2，且T1T2，隔热板温度为T3，辐射系数(ClC2=C3)和面积(F1=F2F3F)均相等，根据(1-41)式，它们间的辐射能量为：,78,当体系内达稳定态时，Q13=Q32，所以或,79,由式(149)与式(144)比较可看出如果两个辐射面之间放置一隔板时，若导来辐射系数不变，则辐射能量可减少一半；若放置n个隔板

32、，同理可以证明能量为原有能量的，即式中：Qn 放置n层隔板时的辐射能；Q 未放隔板时的辐射能。,80,五、通过孔口的辐射换热在炉墙上常设有炉门孔、窥视孔及其它孔口，当这些孔敞开时，炉膛内的热量便向外辐射，在炉子设计计算过程中需计算这项热损失。,1、薄墙的辐射换热 当炉墙厚度与孔口尺寸相比较小时，可以认为孔口处的炉衬表面不影响炉膛的热辐射，如图113(a)，从孔口辐射的能量可以认为是黑体间的辐射热交换。,81,式中：T1开孔内的温度(K)；T2开孔外的温度(K)F 开口的面积(m2)。,82,2、厚墙的辐射换热 当炉墙厚度与孔口尺寸相比较大时，如图113(b)，从孔口辐射出的能量有部分要落到孔口

33、周围的炉墙表面，被吸收和反射，不能全部辐射到孔口之外，这时辐射的能量为式中：孔口的遮蔽系数，是小于l的值。,值的大小与孔口形状、大小及炉墙厚度有关(见图114)，孔口越深，横截面积越小，值越小，遮蔽效果越好。,83,六、气体与固体间的辐射换热 1、气体辐射与吸收的特性(1)气体的吸收和辐射能力与气体的分子结构有关。只有三原于和多原于气体(如CO2、H2O、SO2、CH4、NH3等)才具有较大的吸收和辐射能力，单原子和同元素双原于气体如N2、O2、H2等的吸收和辐射能力可以忽略，而看做是透过体。,84,(2)气体辐射和吸收波谱不连续，具有明显的选择性。某一种气体只吸收和辐射某些波长范围(波带)内

34、的辐射能，对波带以外的辐射能则既不吸收也不辐射。例如，水蒸气有三个主要吸收波带：2.552.84m；5.67.6m；12.030m。CO2的吸收波带为：2.652.80m；4.15 4.48m；13.5 17.0m。,85,(3)气体对辐射线没有反射能力，它一面透过一面吸收，在整个气体体积中进行。显然，气体的吸收能力取决于热射线在透过途中所碰到的气体分子数目，而气体层中分子数目，又正比于射线行程长度S和气体的分压P。,86,2、气体的辐射力和黑度 实验表明，气体的辐射力并不服从四次方定律，例如 与 成正比，HH2O与 成正比。但为了计算方便，仍利用四次方定律计算，而将其偏差计入气体黑度内，则气

35、体的辐射力式中：Tg 气体温度；g 气体黑度。在热平衡的情况下，g 等于其同温度下的吸收率Ag。,87,气体的黑度 是温度T、分压P和行程长度S的函数，即 计算时，S值取平均射线行程长度，它与容器形状和尺寸有关，可依下式计算，即式中：V 容器体积；F 包围气体的容器表面积。,88,3、火焰辐射 火焰的辐射能力随火焰的形态而异，按其性质分为暗焰和辉焰。若火焰为完全燃烧产物，其所含的辐射气体主要是H2O和CO2，它们的辐射光谱没有可见光波，亮度很小，故称暗焰。暗焰的黑度较小，一般在0.150.3范围。若火焰中含有固体燃料颗粒或热分解产生的小碳粒，它们的辐射光谱是连续的，有可见光射线，亮度较大，故称

36、为辉焰。辉焰的辐射能力远高于暗焰。气体燃料的辉焰黑度为0.20.3，重油辉焰黑度为0.35 0.4。,89,4、气体与固体壁面间的辐射换热炉子或通道内充满具有辐射能力的气体时，气体将与周围壁面间发生辐射换热，在工程计算中，可近似地按下式计算，即式中：Tg 气体温度(K)；T 壁面温度(K)g 气体黑度；壁面黑度；F 气体与壁面的接触面积(m2)。,90,1-5 综合传热,在实际传热过程中往往是两种或三种传热方式同时发生，所以，必须考虑它们的综合传热效果。例如：工件在热处理电阻炉内加热时，电热体和炉墙内壁以辐射和对流方式先将热量传给工件表面，然后热量再由工件表面以传导方式传至工件内部，工件加热的

37、快慢是三种传热方式综合作用的结果。,91,一、对流和辐射同时存在时的传热 工件在热处理炉内加热时，热源与工件表面间不仅有辐射换热，而且还有对流换热。因而单位时间内炉膛传给工件表面的总热流量为,92,为了便于对更复杂的传热过程进行综合计算以及对不同类型炉子的传热能力的大小进行比较，一般将它改写成传热一般方程的形式，即式中：t1 炉膛温度()；t2 工件表面温度()；对 对流换热系数w/(m2)辐 辐射换热系数w/(m2)，综合传热系数或总换热系数w/(m2)，=对+辐，它表示炉子的传热能力。,93,对不同类型的炉子，辐射和对流在炉内所起的作用并不相同。例如：在中、高温电阻炉和真空电阻炉内，炉膛传

38、热以辐射换热为主，而对流换热的作用极小以致可忽略不计，辐就代表这类炉子的传热能力。在低温空气循环电阻炉以及盐浴炉内，炉膛传热以对流换热为主，而其它传热方式可忽略不计，所以对就代表了这类炉子的传热能力。对装有风扇的中温电阻炉或燃料炉来说，对流和辐射的作用均不可忽略，因而这类热处理炉传热能力的大小，应该用值来表示。,94,当研究炉墙外表面向车间散热时，的大小表示了炉墙外表面向车间散热的强弱程度，这时式(157)中t1、t2分别为炉墙外表面和车间的温度，而对、C导分别按式(124)和式(142)计算。当炉壳为钢板或涂灰漆时，C导4.65W/(m2.K4)；涂铝粉漆时，C导2.56 W/(m2.K4)

39、，车间温度为20时，值计算结果见附表2。,95,二、炉墙的综合传热 在炉内热流通过炉墙传到周围的空气中，这一过程包括炉气以对流和辐射方式传给内壁，内壁又以传导方式传到外壁，外壁则以对流和辐射方式传给周围的空气，如图l15所示。,96,设炉壁内外表面温度分别为t1、t2，炉膛内空气温度和炉外空气温度分别为t、t0。炉壁厚度为S，热导率为，则热量传递过程表示如下：1、高温气体以辐射和对流方式传给内壁的热流密度 2、炉壁以传导方式由内壁传到外壁的热流密度 3、外壁以辐射和对流方式传给周围空气的热流密度,97,在稳定传热情况下，q1q2q3=q，整理式(158)、(159)和(160)得到 式中：q

40、炉气通过炉墙向车间空气中的散热热流密度；1 炉气对炉墙内表面的综合传热系数w/(m2.)2 炉墙外表面对空气的综合传热系数w/(m2.)，见附表2。,98,对于n层炉墙的传热过程，可导出下式,由(1-61)式可以看出，炉墙内外气体可看成是多层平壁的组成部分，即平壁内拥有一附加层，热阻为，其外测也有一附加层，热阻为。由于 值较大，故其热阻 很小，可以忽略不计。（1-61）式可写成,99,思考题与习题 1、试比较传导、对流、辐射传热传热过程的共同性和特殊性。2、怎样强化高温热处理炉炉内辐射换热和减少辐射热损失？3、试分析不同类型热处理炉炉内综合传热情况。4、试述温度场与温度梯度、热流与热流密度的基本概念。5、试述对流换热系数的影响因素，并说明增大或减小对流换热系数的措施。,100,101,102,103,104,105,106,107,层流底层,108,109,110,111,112,113,114,