热处理炉炉子传热原理教学PPT.ppt
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1、1,第二章 炉子传热原理,2,3. 对流换热,3,一、对流换热的基本概念与机理:,1.流动边界层 (1)定义:流体流经固体表面时,由于流体的粘性作用,使紧贴固体表面的流体速度等于0。随着离开壁面的距离增加,其速度迅速增大。在离壁面处流速为流体主流速度的99%,这个距离称为边界层 。,4,(2)雷诺数: Re=vd / v: 流速(m/s); d: 管道水力学d=4F/s直径(M); :流体密度(kg.m3) : 流体粘度(Ns/m2) 管道中:Re2300 紊流 ;2100Re2300 可能为层流也可能为紊流。 对于空气循环电阻炉和热处理燃料炉中遇到的气体流动大多属于紊流。,5,2热边界层:
2、(1)定义:紧贴固体表面的流体温度等于固体表面温度,而在离固体表面某一t处,流体温度接近于主流温度,则厚度为t的流体层称为热边界层。 (2)注:在热边界层内温度梯度dt/dy有显著变化,而在热边界层之外为等温流动区,温度梯度为0。 热边界层厚度t不一定等于流动边界层厚度,它们之间的相互关系主要取决于主流体性质。 3.对流换热机理 (1)对于层流边界层:热量只能靠流体的传导传热 (2)对于紊流边界层: 层流底层中:热量传递为导热。 紊流区:导热及流体质点紊流混合。 (3)对于主流区:取决于主流区流体的流动状态。,6,二、牛顿公式对流换热计算公式,对流换热的热量与流体和固体表面间的温差以及两者的接
3、触面积成正比: Q= a(t1-t2)F (w) = q=a(t1-t2) (w/m2) 式中a为对流换热系数,它表明当流体与壁面间的温差为1时,在单位时间内,通过单位面积的热量。a的大小,反映出对流换热过程的强弱程度。 Q= (t1-t2)/(1/aF)=Rt=1/aF,7,三、影响对流换热的因素,1.流体流动发生的原因: (1)自然对流:VRa。 (2)强制对流:VRa 。 2.流体的流动状态: (1)层流:靠传导,热流方向垂直于流体运动的方向。 (2)紊流:传导+紊流混合,取决于层流底层传导,但层流底层薄,所以总的传热能力比层流大。 相同条件下:流速高的紊流a 流速低的层流a。 (原因:
4、紊流中层流低层薄,R; 流速高紊流流体内相对位移大,对流换热激烈a。,8,3.流体的物理性质: (1)流体的导热系数:(Rt) a; (2)流体的比热c: ca; (3)流体的密度:a(流体的流量与流体的密度成正比,密度增加流体在单位时间内所携带的热量,从而加强流体与壁面之间的对流换热。) (4)流体的粘度:粘度大Ra。 4.固体表面的形状、大小、位置,9,四.对流换热系数的确定实验确定,1.自然对流时的对流换热系数 经验公式:a=A(t1-t2)1/4(w/m2) 炉壁自然对流换热系数与炉壁和空气间的温差t1-t2成正比;A为系数,对炉墙竖壁为2.56,炉底外壁 为1.63,炉顶外壁为3.2
5、6,单位:w/(m2c1.25)。,10,2.强制对流时的对流换热系数,(1)气体沿平面流动时:,11,(2) 气体沿长形工件流动时: a=kvt0.8 (w/(m2) vt-炉膛内循环空气的实际流速(m/s) K取决于炉温的系数,由下表得出 也有 a=6.98+3.2vt0.8 (w/(m2),12,(3)炉气在燃料炉中稳定流动时: a=zvt0.8/d0.2 KlKH20 (w/(m2) 式中:vt炉膛内炉气的实际流速(m/s); d炉膛通道的水力学直径(m); z炉气温度的系数: kl通道长度l与水力学直径d比值的系数: KH20炉气中水蒸汽含量的系数:,13,(4)气流在通道内层流流动
6、时: a=5.99/d (w/m2) 炉气的导热系数(w/(m)。 d通道的水力学直径。 例3:设有一台空气循环电炉,循环空气温度为500,炉内加热轧制金属板,面积为1 m2,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时的对流换热量。,14,解:求v0 , 当vt1=5 m/s时 v01=vt273/(273+500)=0.35vt=0.355=1.8m/s 同理:vt2=10 m/s ; v02=3.5 m/s ; vt3=20 m/s ; v03=7.1 m/s 。 设金属表面为轧制表面,代入相应公式: a1=13.46 w/(m2) ; a2=20.69 w/(
7、m2) ; a3=34.73 w/(m2) 。 q=a(500-100)=400a q1=5384w/m2; q2=8276w/m2; q3=13892w/m2 。 注:(1)不同资料介绍的a 值会相差很大。 (2)选用实验公式时,必须注意各公式应用范围和条件。,15,五.强化炉内对流换热的途径,1.加大换热温差。(但不应超过工件终了温度2050之间。) 2.提高流体速度: (1)低温热处理炉:常增设风机 -提高a;加热速度;炉温均匀性。 (2)燃料炉内:提高燃料或火焰喷射速度(可达100200m/s) ; 3.控制流体与受热面积的相对运动方向: (1)流体垂直冲击受热面积, a; (2)合理
8、布料与适当布置排烟口的位置。 4.增大换热面积: (1)适当控制装料量; (2)合理布置工件和装设支架以及增加预热区长度; (3)设置肋片。 5适当缩小横截面,可提高流速v,a,而且可减小炉壁的散热面积,但同时也减小了炉壁的有效辐射换热面积,因此应综合考虑各方面的关系。,16,4.辐 射 换 热,17,一.基本概念,1.热辐射的本质:物体以电磁波向外辐射能量(0k)电磁波波长为0(X射线、紫外线、可见光0.380.76m、无线电波)热射线为0.1100m绝大部分集中在0.7616m (热处理加热温度范围内)。,18,2.吸收、反射和透射,热射线的物理本性与可见光相同,也有反射、透射和吸收等现象
9、。如右图,根据能量守恒定律,则 Q= QA + QR + QD 1= QA/Q + QR/Q+ QD/Q=A+ R+ D A:吸收率,A=1时为绝对黑体(黑体); R:反射率,R=1时为绝对白体(白体); D:透射率,D=1时为绝对透明体(透明体)。 A、R、D与物体特性、表面状态、温度、波长有关: 大多数固、液体:D=0,A+R=1。一般工程材料为漫反射。 气体:R=0 。,19,3.黑体模型,自然界无黑体人工黑体模型空腔壁开设小孔吸收。 当面积比0.998 。 绝对黑体不但是一种理想的吸收热射线的物体,而且也是辐射能力最强的理想辐射体,任何物体对热射线的辐射和吸收能力都小于绝对黑体。 以后
10、有关黑体的物理量均以“b”为下标表示。,20,二.热辐射的基本定律 (一)普朗克定律:,1.黑体的辐射力:黑体在单位时间内单位面积上发射的所有波长(为0)的射线所携带的总能量。Eb 2.黑体的单色辐射力:单位时间内单位面积的黑体表面向半球空间所有方向发射的某一特定波长的辐射能。,21,3.普朗克定律:1900年普朗克从理论分析得出黑体的单色辐射力Ib与绝对温度TK和波长的关系为,:波长,单位为m ; T:热力学温度K; C1:普朗克第一常数,为3.74310-16 wm2 C2:普朗克第一常数,为1.438710-2 mk e: 自然对数的底数。 把上式描绘成图,可以更清楚显示不同温度下黑体辐
11、射能按照波长的分布情况:,22,(1)黑体在任意温度下都可以辐射出波长从0的各种射线。当0或时,I0 TI 。,(2)在一定波长范围内,I显著。热处理中=0.7616m 。TImax向左移。 (3)维恩定律:在同一辐射温度下,黑体的单色辐射力在某一波长max时,存在着最大值。对应于单色辐射力最大值时的max随着温度的升高向短波范围内移动。若将普朗克定律对取导数,并令,23,求得如下关系:Tm =2.897610-3 (mK)。,(4)斯蒂芬波尔兹曼定律(四次方根定律): 黑体辐射力:,0:斯蒂芬波尔兹曼常数,0=5.67510-8 w/(m2K4) =Eb=C0(T/100)4(w/m2) ,
12、 C0黑体的辐射系数,C0=5.675 w/(m2K4) 。,24,(二)灰体与实际物体的辐射力,1. 实际物体的辐射和吸收 (1) 黑体在任何情况下吸收率都为1 ; (2) 实际物体的吸收率随物体表面状态与结构而异 工业用铝板100时为0.09,严重氧化时为0.20.33 表面越粗糙 A。 (3) 实际物体的单色吸收率随波长而异耐火砖对长波辐射A,而对短波辐射A。 (4) 实际物体的吸收率随温度而异。例:Al2O3在30K 时A 为0.75,在300K时, A 为0.125。 注:各物体的吸收率随温度的变化规律也不同: a. 大部分金属T A ; b. 大部分耐火及保温材料T A 。 由此可
13、见,实际物体的吸收率都小于1。,25,2.黑度与灰体概念,(1)黑度:实际物体的辐射力E和同一温度下黑体的辐射力比值称为实际物体的黑度或辐射率,即=E/Eb 。“黑度”表示实际物体的辐射能力接近于黑体的程度。对于黑体=1,对于实际物体1 。 (2)单色黑体:把实际物体的单色辐射力I与同温度下黑体的单色辐射力Ib之比值定义为该物体的单色黑度,并符号表示=I/Ib 。,26,(3)灰体:在热分析中,把单色黑体与波长无关的物体称为灰体。,定义:如果某物体辐射光谱如同黑体一样也是连续的,光谱曲线也与黑体相似,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Ib之比为定值,并与波长和温度无关: I
14、1/Ib1= I2/Ib2 = =In/Ibn= 。 灰体来说 E/= I/Ib故= ,灰体的辐射力E=T4 注:灰体的与T、无关。,27,3.黑体、灰体、实际物体的关系 (1)与的关系图,工业上常用的辐射,其主要波长位于红外线范围内(一般绝大多数位于0.7616m之间),在此范围内,一般不随波长作显著变化。实践表明,在红外线波长范围内把大多数工程材料作为灰体处理时不会引起严重的误差。,28,4.克希荷夫定律,(1)推导 条件: a.两平行平面面积很大,距离很小,可忽略边界影响; b.Sb为黑体,S1为任一平面。 当T=Tb时,列出Sb面上的热平衡: Eb= Eb(1-A)+E = EbA=E
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