热处理炉炉子传热原理教学PPT.ppt

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 n s m2 管道中 re2300紊流 2100 re 2300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 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 v r a 2 强制对流 v r a 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 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 c a 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 r a 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 26 单位 w m2 c1 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 2klkh20 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 时的对流换热量 14 解 求v0 当vt1 5m s时v01 vt 273 273 500 0 35vt 0 35 5 1 8m s同理 vt2 10m s v02 3 5m s vt3 20m s v03 7 1m s 设金属表面为轧制表面 代入相应公式 a1 13 46w m2 a2 20 69w m2 a3 34 73w 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20 50 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100 200m 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 38 0 76 m 无线电波 热射线为0 1 100 m 绝大部分集中在0 76 16 m 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 如右图 根据能量守恒定律 则q qa qr qd1 qa q qr q qd q a r da 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 eb2 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t k 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3 743 10 16w m2c2 普朗克第一常数 为1 4387 10 2m ke 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 i 0t i 2 在一定波长范围内 i 显著 热处理中 0 76 16 m t i max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 t m 2 8976 10 3 m k 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 5 675 10 8w m2 k4 eb c0 t 100 4 w m2 c0黑体的辐射系数 c0 5 675w m2 k4 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 2 0 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 1 ib 1 i 2 ib 2 i n ib n 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 76 16 m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 e a eb 29 上式对所有物体都成立 因此则有 e1 a1 e2 a2 en an eb f t 说明任何物体的辐射力和其吸收率的比值恒等于同温度下黑体的辐射力 并且只和温度有关 与物体性质无关 引伸 a e eb 与e eb a可见 a 表明在热平衡条件下 任意物体的 a 这说明善于吸收的物体也善于辐射 在一定温度条件下 黑体显然具有最大的辐射力eb和最大的吸收率ab ab 1 b 该定律也适用于单色辐射 即e eb a 30 2 实际应用 a 灰体 灰体的 是个与温度 波长无关的物体 由于a 因此在任何状态下a都是定值 它也与t 无关 因此在灰体中无热平衡的限制 b 工业中常用的热辐射可近似的看为灰体 因此在工业实际中 认为a是定值 并且在任何条件下都可使用 31 三 辐射换热及角度系数 一 角度系数1 定义 在空间中由一个表面发出的辐射能落到另一个表面上去的百分数称为角度系数 如图 表面1投射到表面2上的能量为 e1f1 12 由此定义可以看出角度系数纯系几何因子 它只取决于换热物体的形状 尺寸以及两者间的相互位置 而与物体的性质 温度等条件无关 32 2 角度系数 的基本规律 f1是平面或凸面时 11 0 角度系数的相对性 f1 12 f2 21 也称互变原理 如图 单位时间里q1 2 eb1f1 12 同时 q2 1 eb2f2 21 由于都是黑体 所以落到表面上的能量全部吸收 两物体间净换热量q eb1f1 12 eb2f2 21 当达到热平衡时 t1 t2 q 0 eb1 eb2 f1 12 f2 21 重申 为几何因子 与 t无关 33 角度系数的完整性 封闭体系中x11 x12 x13 x1n 13 常见角度系数的确定 封闭体系中 两相距很近的平行大平面 12 21 1 两很长的同轴圆柱或同心球体 21 1 12 f2 f1 一个平面和一个曲面 21 1 12 f2 f1 两个曲面 12 s1 s1 s2 21 s2 s1 s2 34 例 如右图所示 假定由三个凸表面所组成的系统 在垂直于纸面方向足够长 理论上要无限长 因而从系统两端开口处逸出的辐射能可略去不计 即认为这一系统是密闭系统 设三个表面的面积分别为f1 f2及f3 根据角度系数的相对性和完整性可写出 35 二 任意放置的两表面组成的封闭体系内的辐射放热 1 有效辐射jj表示单位时间内由物体单位面积上放射出的能量 即物体本身辐射和反射的能量之和 j eb 1 a g eb 1 gg为投射辐射 g表示在单位时间内投射在物体单位面积上的辐射能 36 2 任意两表面封闭体系的辐射热交换 f1对f2的有效辐射为j1f1 12f2对f1的有效辐射为j2f2 21 f1 12 f2 21且热交换量为 q1 2 j1f1 12 j2f2 21 37 若t1 t2时 因此热平衡仅在f1 f2面之间 所以q1 2 q1 q2 由 1 2 3 式可得 38 f1 12 f2 21 c导称为导来辐射系数 39 3 实际应用 1 两平行大平面的换热对两平行大平面f1 f2 f 12 21 1 40 2 当其中一个为平面 另一个为曲面 前者为小面 后者为大面 或者两很长的同轴圆柱以及同心球体时 21 f1 f2 12 1 41 3 当f2 f1 其f2为凹面 f1为平面或凸面时 21 0 12 1 42 三 马弗炉内的辐射换热 1 换热介绍工件在马弗炉内加热时 实际上是由马弗炉和工件二表面组成了封闭系统 如右图 此时工件之间有空隙即 22 0时 它的辐射换热也可由前式得 43 2 加增马弗炉炉膛辐射换热的途径 提高炉温t1 增大f1 f2 f1 f2 3 4 炉围开展度 炉衬内表面与工件受热面积之比 c导 q 增大 1 2 c导 q 增大a2 21 有效加热面积 工件间隙应为其高度的1 3 1 2 44 例 马弗炉内表面f1 1m2 其温度t1 900 炉底上有架子 上面并排放着两根方钢 互相紧靠 方钢截面50 50mm 长1m 马弗与方钢的黑度同为0 8 求方钢温度t2 500 时马弗对方钢的辐射换热热流量 45 解 由于方钢相互紧靠 略去端头面积后 每根方钢有三个受热面 因此受热总面积 f2 6 0 05 1 0 0 3m2 21 1 12 f2 f1 0 3 1 0 3 1 2 0 8 46 四 炉门开启时的辐射换热 一 分析 1 炉门口与炉膛的交界面f1 t1 由于f1相对于炉膛较小 1 1 2 炉门与车间的交界面f2 t2 同样 1 1 3 炉门口的炉衬表面f3 为使问题简化设f3面温度均匀一致 在换热中即不得热也不损失热 即认为绝热面 47 二 计算 炉门开启时热损失q12显然为f1传给f2的热量1 对于f2面列出热平衡方程 q132 q投2 q效2 q效1 12 q效3 32 q效2 1 2 对于黑体 反射率为0 故黑体面的有效辐射等于它的本身辐射 q效1 eb1f1 2 q效2 eb2f2 3 3 f3面为绝热面 q效3 q投3 q效3 q效1 13 q效2 23 q效3 33q效3 eb1f1 13 eb2f2 23 1 33 4 48 4 炉门为规则形状 故f1 f2 32 31 13 21 13 12 1 23 21 1 5 将 2 3 4 代入 1 式整理得 q132 1 12 2 eb1 eb2 f2 5 6 由 5 得炉门开启时的辐射热损失 式中 c0黑体辐射系数 5 675 f 炉门开启面积 m2 t 炉门在1小时内的开启时间比率 遮避系数 综合角度系数 1 12 2 49 遮避系数 综合角度系数 1 12 2 注 若考虑f3的有效辐射沿炉口深度不均匀分布时 1 12 2 1 12 4 6 值也可由各种手册查出 50 51 五 电阻炉炉膛内的辐射换热 一 分析1 问题 中高电阻炉一般不设循环风扇 炉内辐射占主导 对流换热忽略不计 炉衬内表面温度各处不一 电热元件处高 电热元件结构及布置复杂 2 简化 电热元件为圆棒形 并均匀布置于炉顶 炉衬为绝热面 炉衬的散热损失忽略不计 工件受热面为平面 与炉顶平行 f2 f4 52 4 计算公式 1 42 2 1 42 4 6式中 t1 t2分别为电热元件和工件温度 k 1 2分别为电热元件和工件黑度 d s分别为电热元件直径和间距 41炉顶对电热元件的角度系数 42电热元件取走后炉顶对工件的角度系数 综合角度系数 查表得出 53 二 强化炉膛辐射换热的途径 1 提高炉温 2 增大工件表面黑度 3 增大工件的受热面积 4 增大电热元件的黑度 5 炉膛高度电热元件在炉底或炉顶 采用矮炉膛 电热元件在两侧 高 宽 1时 增大高度可强化 高 宽 1 0 1 5收效甚微 54 六 有隔热板时的辐射换热 一 问题提出为了减弱两个表面之间的辐射换热 加隔热板 隔热板对整个换热体系并不引入或带走任何热量 而只是在路径上增加热阻 二 分析1 条件 f1 f2平行平板放置 且其热导率较大 其两侧温度相同 分别为ta tb 面积与f1 f2相同 55 2 推导 1 无隔热板时 2 放置n层隔热板 达到稳定传热时 各层热流密度相等 56 式中c1a cab cn2以及c12均为各导来系数 57 3 分析 1 当隔热屏与f1 f2面黑度相同时 c12 c1a cab cn2 c导由此可得qn q 1 n w m2 当n 1时 qn q 2 w m2 ta4 1 2 t14 t24 2 加隔热屏时 各层所起隔热效果并不同 随n增加隔热作用迅速下降 一般n 6 8 58 七 气体与固体间的辐射换热 一 气体的辐射与吸收 特点 1 气体的吸收和辐射能力与气体的分子结构有关 a 单原子 对称的双原子气体 透明体 辐射与吸收能力极小 可