01传热基本原理

1、1 第一章第一章 传热基本原理传热基本原理 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要保证生产率及实现既定的工艺参数(加热温度、加加热温度、加 热速度、温度的均匀性、炉膛气氛的成分等热速度、温度的均匀性、炉膛气氛的成分等)，满足，满足 工件的技术要求，而且还应控制炉内的热交换过程，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。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

2、热的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。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，本章重点研究热处理炉内的传热问题，为炉子设为炉子设 计、制造、操作及节能打好理论基础计、制造、操作及节能打好理论基础。 1 1-1 -1 基本概念基本概念 传热或换热传热或换热: : 热量从一物体传向另一物体或由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。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，热处理炉内进行的热传递过程尽管比较复杂， 但也是但也是传导、对流、辐射

3、三种基本形式传导、对流、辐射三种基本形式组成的综合组成的综合 传热过程。传热过程。 3 一、传热的基本形式一、传热的基本形式 1 1、传导传热、传导传热 温度不同的接触物体间或一物体中各部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。分之间热能的传递过程。 2、对流传热、对流传热 流体在流动时，流体质点发生位移和相流体在流动时，流体质点发生位移和相 互混合而发生的热量传递。互混合而发生的热量传递。 4 3 3、辐射传热、辐射传热 辐射辐射：任何物体在高于热力学零度时，都会不：任何物体在高于热力学零度时，都会不 停地向外发射粒子停地向外发射粒子( (光子光子) )的现象。的现象。 辐

4、射传热辐射传热：辐射不需任何介质。物体间通过辐：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。射能进行的热能传递过程。 5 传热过程中传热过程中伴随着能量的转化伴随着能量的转化，即，即从热能到辐从热能到辐 射能以及从辐射能又转化为热能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，称为过程，称为辐射传热或辐射换热辐射传热或辐射换热。

5、6 二、温度场与温度梯度二、温度场与温度梯度 1 1、温度场、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：时间坐标的函数，即： (1 - 1) (1 - 1) 式中：式中：x,y,z x,y,z 该点的空间坐标；该点的空间坐标； 时间坐标。时间坐标。 这个函数叫温度场函数。若物体的温度沿这个函数叫温度场函数。若物体的温度沿x x、y y、z z三个方三个方 向都有变化，称向都有变化，称三向温度场三向温度场；若只在一个方向上有变化，则；若只在一个方向上有变化，则 称称单向温度场单向温度场，即：，即： (1 - 2)

6、(1 - 2) ,zyxft , xft 7 如果物体各点温度不随时间变化称为如果物体各点温度不随时间变化称为稳定温度场稳定温度场。这。这 时温度分布函数简化为：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 度场称度场称不稳定态温度场不稳定态温度场，这种传热过程叫，这种传热过程叫不稳定态传热不稳定态传热。如。如 升温状态下炉壁的传热。升温状态下炉壁的传热。 0),( t zyxft及 8 2 2、温度梯度、温度梯度 等温面等温面：在温度场内，同一时刻具有相同温度各点连接：在温度场内，同一时刻具有相同温度各点

7、连接 成的面。成的面。 温度梯度温度梯度：物体：物体( (或体系内或体系内) )相邻两等温面间的温度差相邻两等温面间的温度差 tt与两等温面法线方向的与两等温面法线方向的距距离离nn的比例极限。用下式来表的比例极限。用下式来表 示：示： （/m m） (1 - 4) (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等温面相垂直的单位距距离上温度变化值，并离上温度变化值，并规定由低到高为规定由低到高为 正，由高到低为负正，由高到低为负。 n t n t gradt n lim 0 9 三、热流和热流密度三、热流和

8、热流密度 热流热流：单位时间内由高温物体传给低温物体的热量叫：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，用热流或热流量，用Q Q表示，单位为表示，单位为W W，即即J/sJ/s。 热流密度热流密度：单位时间内通过单位传热面积的热流，称为：单位时间内通过单位传热面积的热流，称为 热流密度，用热流密度，用q q表示，单位为表示，单位为W/mW/m2 2，即即 （W/mW/m2 2） (1 - 5) (1 - 5) 热流、热流密度都为向量，其方向与温度梯度方向相反。热流、热流密度都为向量，其方向与温度梯度方向相反。 FQq/ 10 l-2 l-2 传导传热传导传热 一、传导传热的基本方

9、程式一、传导传热的基本方程式 导热基本方程式，即博立叶定律。导热基本方程式，即博立叶定律。 （W/mW/m2 2） (1-6) (1-6) 式中：式中：Q Q 沿沿n n方向的热流量方向的热流量( (w)w)； q q 热流密度热流密度( (W Wm m2 2) )； F F 与热流方向垂直的传热面积与热流方向垂直的传热面积( (m m2 2) )； 比例系数，称为热导率比例系数，称为热导率 W/(mW/(m) 温度梯度温度梯度(m)m)，负号表示热流方向与温度梯负号表示热流方向与温度梯 度方向相反。度方向相反。 dn dt FQq/ dn dt 11 二、热导率二、热导率 为在单位时间内，每

10、米长温度降低为在单位时间内，每米长温度降低11时，单时，单 位面积能传递的热流量。用位面积能传递的热流量。用表示，单位为表示，单位为w w (m)(m)。 材料的热导率与温度的变化呈线性关系，即材料的热导率与温度的变化呈线性关系，即 (17) (17) 式中：式中：t t t t时材料的热导率；时材料的热导率； 0 0 0 0时材料的热导率；时材料的热导率； b b 材料的热导率温度系数，因材料而材料的热导率温度系数，因材料而 异。异。 bt t 0 12 在实际计算中，为简化计算过程，一般取物在实际计算中，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体算术平均温度下的

11、热导率代表物体热导率的平 均值。均值。 均均 bt 0 2 tt 21 均 t 式中式中 t t均均 平均温度（平均温度（），）， 13 三、平壁炉墙上的导热三、平壁炉墙上的导热 1 1、单层平壁炉墙的稳定导热、单层平壁炉墙的稳定导热 设单层平壁炉墙设单层平壁炉墙( (图图1 1-1)-1)，其壁厚为，其壁厚为s s，材料材料 的热导率的热导率不随温度变化，表面温度分别为不随温度变化，表面温度分别为t t1 1和和 t t2 2(t(t1 1t t2 2) )，并保持恒定。若平壁面积是厚度的并保持恒定。若平壁面积是厚度的 8 8 1010倍倍时，可忽略端面导热的影响，误差小于时，可忽略端面导热

12、的影响，误差小于1 1 。平壁温度只沿垂直于壁面。平壁温度只沿垂直于壁面x x轴方向变化，所轴方向变化，所 以它是单向稳定态导热问题。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 一厚度为一厚度为dxdx的单元薄层，设其两侧的温度差为的单元薄层，设其两侧的温度差为dtdt，根据傅立根据傅立 叶定律，通过这一单元薄层的热流密度叶定律，通过这一单元薄层的热流密度 分离变量后积分得分离变量后积分得 故热流密度：故热流密度： （W/mW/m2 2） (1-8) (1-8) dx dt q dx q dt t t s 2

13、1 0 s q tt 21 s tt q 21 15 若平壁炉墙的面积为若平壁炉墙的面积为F F，而且内外表面积相等，而且内外表面积相等， 则在则在1 1小时内通过小时内通过F F面积所传导的热流量面积所传导的热流量 （W W） (1-9) (1-9) 在上两式中，在上两式中，s/s/为为单位面积的平壁热阻单位面积的平壁热阻， s/s/（FF）是是面积为面积为F F的平壁热阻的平壁热阻。由此可见，热流。由此可见，热流 量与温度差量与温度差( (t t1 1-t-t2 2) )成正比，与热阻成正比，与热阻s/s/（FF）成反比。成反比。 F s tt qFQ 21 16 实际的平壁炉墙实际的平壁

14、炉墙( (如箱式炉炉墙如箱式炉炉墙) )面积并非很面积并非很 大，而且其内外表面积也不相等，因而它的导热大，而且其内外表面积也不相等，因而它的导热 面是变化的。这时面是变化的。这时上式中的导热面积应该用平均上式中的导热面积应该用平均 面 积 代 替面 积 代 替 ， 一 般 按 如 下 方 法 近 似 计 算 。， 一 般 按 如 下 方 法 近 似 计 算 。 17 当当F F2 2 /F /F1 122时，用算术平均面积，即时，用算术平均面积，即 ( (m m2 2) (1-10) (1-10) 当当F F2 2 /F /F1 1 2 2时，用几何平均面积，即时，用几何平均面积，即 ( (

15、m m2 2) (1-11) (1-11) 式中：式中：F F1 1、F F2 2 分别为单层平壁炉墙的内、分别为单层平壁炉墙的内、 外表面积外表面积 ( (m m2 2) )。 2 21 FF F 21.F FF 18 2 2、多层平壁炉墙的稳定导热、多层平壁炉墙的稳定导热 一般热处理炉的炉墙，大多为两层或三层一般热处理炉的炉墙，大多为两层或三层 不同材料砌成的不同材料砌成的( (图图12)12)，设炉墙界面温度依次，设炉墙界面温度依次 为为t t1 1、t t2 2、t t3 3、t t4 4(t(t1 1t t2 2t t3 3t t4 4) )，各层厚度为各层厚度为 s s1 1、s

16、s2 2、s s3 3，各层间紧密接触。各层的热导率用各层间紧密接触。各层的热导率用 1 1、2 2、3 3表示。表示。 19 第一层第一层： （a） 第二层第二层： （b） 第三层第三层： （c） 在稳定态导热时，通过平壁炉墙各层的在稳定态导热时，通过平壁炉墙各层的热流或热流或 热流密度应相等热流密度应相等。 根据式根据式(18)可分别写出通过各层的热流密度：可分别写出通过各层的热流密度： )( 21 1 1 tt s q )( 32 2 2 tt s q )( 43 3 3 tt s q 20 由上述三个方程可求出三个未知量由上述三个方程可求出三个未知量q、 t 2和 和t 3， ，由于由

17、于是温度的函数，由上页式是温度的函数，由上页式 (a) (c)经运算得：经运算得： (W/m2) (1-12) 3 3 2 2 1 1 41 sss tt q 21 同理，同理，n n层平壁炉墙的导热公式层平壁炉墙的导热公式 ( (W/mW/m2 2) (1-13) (1-13) 若多层炉墙的总热阻已知，则各层间的界面温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：度可由下式求得： () (1-14) () (1-14) n n n sss tt q . 2 2 1 1 11 1 1 2 2 1 1 1 . n n n sss qtt 22 在求界面温度时，必须先根据经验设一界面在

18、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温度，然后根据假设温度算出各层的值及总热阻，值及总热阻， 再代入式再代入式(114)求得界面温度。求得界面温度。 如果计算界面温度和假设温度相差较少如果计算界面温度和假设温度相差较少(5 以下以下)，即可采用；如果相差大于，即可采用；如果相差大于5，应重新假，应重新假 设再进行计算，直到误差小于设再进行计算，直到误差小于5为止。为止。 一般规定炉墙外表面温度为一般规定炉墙外表面温度为50。 23 对对各层导热面积不同的各层导热面积不同的n n层平壁炉墙层平壁炉墙，则应用下，则应用下 述公式计算热流量。述公式计算热流量。 (

19、(W) (1-15)W) (1-15) n i ii i n F s tt Q 1 11 24 上式中上式中Fi为第为第i层的平均传热面积，其计算方法层的平均传热面积，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。出它的导热损失及其界面温度。 由上式可知，由上式可知，多层壁的热流量决定于总温差和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总热阻，而总热阻等于各层热阻之和。 25 举例：举例： 一炉墙内层由

20、轻质耐火粘土砖一炉墙内层由轻质耐火粘土砖（QN）-1.0 砌成，厚度为砌成，厚度为113mm，外层由，外层由A级硅藻土砖砌级硅藻土砖砌 成，厚度为成，厚度为230mm，炉墙内表面温度为，炉墙内表面温度为950， 试求试求1m1m2 2炉墙面积上的导热损失。炉墙面积上的导热损失。 26 2 2 1 1 31 ss tt q 解：通过两层炉墙导热的热流密度的计算公式为：解：通过两层炉墙导热的热流密度的计算公式为： 可见，要计算可见，要计算q，需先计算，需先计算1、2，t2、t3未未 知。需要假设知。需要假设t2 ，然后核算。假设，然后核算。假设t2810、t3 50 ，则：，则： t1t3900

21、；S S1 1= 0.113m= 0.113m；S S2 2 0.23m0.23m 27 轻质耐火粘土砖的热导率轻质耐火粘土砖的热导率1 1为为： 1 10.29+0.260.29+0.261010-3 -3t t均 均（ （W/(m.)W/(m.)） 519. 0 2 810950 1026. 029. 0 3 （W/(m.)） 硅藻土砖的热导率硅藻土砖的热导率2 2为：为： 204. 0 2 50810 10232. 0104. 0 3 2 （W/(m.)） 28 将求得的将求得的1 1和和2 2代入计算公式，即可求得热代入计算公式，即可求得热 流密度值：流密度值： 669 204. 0

22、23. 0 519. 0 113. 0 50950 q （W/m2） 验算界面温度：验算界面温度： 805 519. 0 113. 0 669950 1 1 12 s qtt （） 29 与原假设误差为：与原假设误差为： %6 . 0%100 810 805810 误差小于误差小于5，故原假设的，故原假设的t2可用。可用。 30 四、圆筒炉墙的导热四、圆筒炉墙的导热 1 1、单层圆筒炉墙的稳定导热、单层圆筒炉墙的稳定导热 设单层圆筒炉墙的内外半径为设单层圆筒炉墙的内外半径为r r1 1、r r2 2，高度高度 为为L(LL(Lr r2 2) )，内外表面温度分别为恒定的温度内外表面温度分别为恒

23、定的温度t t1 1 和和t t2 2 ( (图图1 1-3)-3)，且，且t t1 1t t2 2，炉墙材料的热导率炉墙材料的热导率为为 常数，因此这是单向稳定态导热问题。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，在圆筒炉墙为了导出圆筒炉墙的导热公式，在圆筒炉墙 内的半径内的半径r处，取一厚度为处，取一厚度为dr的单元圆筒，其两侧的单元圆筒，其两侧 温度差为温度差为dt，根据傅立叶定律，在单位时间内通根据傅立叶定律，在单位时间内通 过此单元圆筒传导的过此单元圆筒传导的热流量热流量为：为： (1-16) rL dr dt F dr dt Q2 32 因因Q、L、为常

24、数为常数(不随不随r变化变化)，分离变量后积分，分离变量后积分 积分后得积分后得 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，上式可改写成式进行比较，上式可改写成 式中，式中， ，它是，它是圆筒炉墙的对数圆筒炉墙的对数 平均面积平均面积，其中，其中F F1 1、F F2 2分别为内外表面积，分别为内外表面积，s s为单层为单层 圆筒炉墙的厚度。这时圆筒炉墙内的温度分布按对圆筒炉墙的厚度。这时圆筒炉墙内的温度分布按对 数规律变化。数规律变化。 1 2 12 ln/ )( F F FFF 34 考虑到实际炉墙的热导率随温度呈线性变化，考虑到实

25、际炉墙的热导率随温度呈线性变化， 这时上式中这时上式中也用热导率平均值代入。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。计算公式在形式上完全相同。 工程上为了计算方便，当工程上为了计算方便，当F F2 2 /F/F1 122时，可用算时，可用算 术平均面积代替对数平均面积。这样简化，术平均面积代替对数平均面积。这样简化，Q Q值的计值的计 算结果要偏大些，但其计算误差不超过算结果要偏大些，但其计算误差不超过4 4。 35 2 2、多层圆筒炉墙的稳定导热、多层圆筒炉墙的稳定导热 对于由对于由n n层组成的多层

26、圆筒炉墙，若已知其内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外表面的恒定温度分别为t t1 1和和t tn+1 n+1， ，(t(t1 1t tn+1 n+1) )， ，各各 层的内外半径以及各层的材料和圆筒炉墙的高度层的内外半径以及各层的材料和圆筒炉墙的高度L L 也已知，并假定各层间紧密接触，求通过这也已知，并假定各层间紧密接触，求通过这n n层圆层圆 筒炉墙的导热热流及各交界面温度。这也是个单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。向稳定态导热问题，可用下式进行运算。 36 多层多层( (n n层层) )圆筒炉墙的导热热流量圆筒炉墙

27、的导热热流量 如果圆筒炉墙各层的内外高度不等，则热流如果圆筒炉墙各层的内外高度不等，则热流 量用下式计算量用下式计算 37 式中，式中，si/（iFi）为第为第i层圆筒炉墙的层圆筒炉墙的 热阻，其计算方法与单层圆筒炉墙相同。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，由此可见，和多层平壁炉墙一样，多层圆多层圆 筒炉墙的总热阻等于各层炉墙热阻之和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各层的界面温度按式(1-14)计算，但计算，但 这时公式中各层的热阻为圆筒炉墙各层的这时公式中各层的热阻为圆筒炉墙各层的 热阻。热阻。 38 在工程上对流传热主要发生在流体与

28、固体表面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，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。对流给热。 在热处理炉上，对流换热主要发生在炉气、盐在热处理炉上，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之间的传热以及炉墙外表面与车间空气之间的传热 等。等。 1-3 1-3 对流换热对流换热 39 一、对流换热的计算一、对流换热的

29、计算 牛顿公式牛顿公式对流换热所传递的热流量与流体和固体表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：式中：Q Q 单位时间内对流换热量，即热流量单位时间内对流换热量，即热流量( (w)w)； q q 单位时间内，在单位传热面积上的对流换热量，单位时间内，在单位传热面积上的对流换热量， 即热流密度（即热流密度（W/mW/m2 2）；）； t t1 1-t-t2 2 流体与固体表面的温度差流体与固体表面的温度差()()； F F 流体与固体的接触面积流体与固体的接触面积( (m m2 2)

30、)； 对流换热系数对流换热系数 w w(m(m2 2)，它表示流体与固体它表示流体与固体 表面之间的温度差为表面之间的温度差为11时，每秒钟通过时，每秒钟通过1 1m m2 2面积所传递的热面积所传递的热 量。量。 40 牛顿公式的形式很简单，将影响对流换热的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：流体流动的影响对流换热的因素很多，如：流体流动的 动力；流体的流动状态；流体的物理性质；流体动力

31、；流体的流动状态；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；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。粗糙程度以及固体表面与流体的温度等。 41 1 1、流体流动的动力、流体流动的动力 按流体流动动力的来源不同，流体流动可分为按流体流动动力的来源不同，流体流动可分为 自然流动自然流动和和强制流动强制流动( (或强迫流动或强迫流动) )。 自然流动自然流动 由于流体内存在温度差，造成流体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。所进行的换热称内各部分密度不同而引起的流动。所进行的换热称 为为自然对流换热自然对流换热，

32、是流体和温度不同的固体表面接，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。等因素有关。传热强度主要取决于温度差传热强度主要取决于温度差。 42 强制流动强制流动 流体受外力流体受外力(如风机、搅拌机如风机、搅拌机 等等)作用而发生的流动。所进行的换热称作用而发生的流动。所进行的换热称强制对强制对 流换热流换热，其，其换热强度主要取决于流体的流动速度换热强度主要取决于流体的流动速度。 43 2 2、流体的流动状态、流体的流动状态 流体的流动状态分为流体的流动状态分为层流层流和和紊流紊流。 层流流动时层流流动时

33、，流体的质点都平行于固体表面流，流体的质点都平行于固体表面流 动动(图图14(a)，流体与固体表面之间的热量传递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。流体的流动方向。 紊流流动时紊流流动时，流体质点不仅沿前进方向流动，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而且还向其它方向做不规则的曲线运动(图图1 4(b）。）。 44 紊流流动紊流流动时，时，流体内各质点发生急剧的混合，而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，但在紧靠固体流体在宏观上还是向前流动的，

34、但在紧靠固体表面表面 的薄层中仍为的薄层中仍为层流层流，即为层流底层。，即为层流底层。 在在层流底层层流底层中，热量的传递靠流体的导热，而中，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在层流底层以外，热量的传递主要靠流体质点的急 剧混合剧混合( (涡旋混合涡旋混合) )作用，所以它是传导传热和流体作用，所以它是传导传热和流体 质点混合作用共同作用的结果。但质点混合作用共同作用的结果。但传热的快慢主要传热的快慢主要 受层流底层的控制受层流底层的控制。由于层流底层很薄，故。由于层流底层很薄，故紊流时紊流时 的对流换热系数比层流时要大得多。的对流换热系数比层流时要大得多

35、。 45 判别层流和紊流的方法判别层流和紊流的方法 层流和絮流可用一个无量纲数，即雷诺数层流和絮流可用一个无量纲数，即雷诺数( (Re)Re)来判别。来判别。 式中：式中： 流体的流速流体的流速( (m/s)m/s)； d d 通道的当量直径通道的当量直径( (m)m)，d=4F/sd=4F/s，s s为通道横截面为通道横截面 周长周长( (m)m)，F F为通道横截面积为通道横截面积( (m m2 2) )； 流体的密度流体的密度( (kg/ mkg/ m2 2) )； 流体的粘度流体的粘度( (N.s/mN.s/m2 2) ) 46 当雷诺数小于临界雷诺数时，流体质点作线状当雷诺数小于临界

36、雷诺数时，流体质点作线状 流动，为层流。流动，为层流。 当雷诺数大于临界雷诺数时，导致流体质点作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。无规则的随机流动，为紊流。 当流体在光滑圆管中流动时，当流体在光滑圆管中流动时，Re小于小于2100为为 层流；层流；Re大于大于2300为紊流；为紊流；21002300时，可能时，可能 为层流，也可能为紊流。为层流，也可能为紊流。 47 3 3、流体的物理性质、流体的物理性质 影响对流换热的流体物理参数主要是影响对流换热的流体物理参数主要是热导率热导率、 比热容比热容、密度密度和和粘度粘度。直接影响流体的流动形态、。直接影响流体的

37、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。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，对流换热系数就大热导率大的流体，对流换热系数就大。如水的。如水的 热导率是空气热导率的热导率是空气热导率的20多倍，因而水的对流换热多倍，因而水的对流换热 系数比空气高。系数比空气高。比热容大的流体，对流换热系数也比热容大的流体，对流换热系数也 大大。粘度大的流体对流换热系数小粘度大的流体对流换热系数小，而密度大的流而密度大的流 体对流换热系数大体对流换热系数大。 48 4 4、固体的表面形状、大小和放置位置、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

38、面的形状和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。置不同，则对流换热系数数值也各不相同。 如如：垂直平面放热垂直平面放热（由下至上为层流区、过渡区（由下至上为层流区、过渡区 、絮流区）、絮流区）、水平上表面放热水平上表面放热（形成许多气柱）、（形成许多气柱）、水水 平下表面放热平下表面放热（层流）等。（层流）等。如图所示如图所示 49 三、对流换热系数的确定三、对流换

39、热系数的确定 1 1、自然对流时的对流换热系数、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. ) w/(m2. ) （1-241-24） 式中：式中：t t1 1 炉墙、炉顶或炉底的外表面温度炉墙、炉顶或炉底的外表面温度()()； t t2 2 车间温度；车间温度； AA系数。炉顶系数。炉顶A A3.263.26；侧墙侧墙A A2.562.56；架空炉架空炉 底底A A1.631.63。 4 21 ttA

40、50 2 2、强制对流时的对流换热系数、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）电阻炉内强制对流给热系数 电阻炉内电阻炉内 因安装风扇，炉气采取强制循环时，炉气对工件因安装风扇，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表面的给热系数可用下式计算 式中式中 g g炉气的流速炉气的流速(ms)； K 取决于炉温的系数取决于炉温的系数(见下表见下表) 8 . 0 g K 51 ( (2)2)气流沿平面强制流动时气流沿平面强制流动时 其对流换热系数其对流换热系数 w/(mw/(m2 2. ). )值可按表值可按表1111的近似公式计算。的近似公式计算。 表表11l

41、l中的中的0 0为标准状态下的气流速度，若为标准状态下的气流速度，若 气流温度为气流温度为t t 时的实际流速为时的实际流速为t t，则用下式计则用下式计 算：算： 52 ( (3)3)气流沿长形工件强制流动时气流沿长形工件强制流动时 当加热长形工件时，循当加热长形工件时，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：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：式中：t t炉膛内循环空气的实际流速炉膛内循环空气的实际流速( (m/s)m/s)； K K 取决于炉温的系数取决于炉温的系数( (见表见表l2)l2)。 53 ( (4)4)炉气在管道内紊流流动时炉气在管道内

42、紊流流动时 炉气在管道内紊流流动炉气在管道内紊流流动 时，其对流换热系数可用下式计算：时，其对流换热系数可用下式计算： 式中：式中：t t炉气的实际流速炉气的实际流速( (m/s)m/s)； d d 通道的当量直径通道的当量直径( (m)m)； Z Z 炉气温度系数炉气温度系数( (见表见表l3)l3)； K KL L 通道长度通道长度L L与与d d比值的系数比值的系数( (见表见表14)14)； K KH2O H2O 炉气中水蒸气含量的系数炉气中水蒸气含量的系数( (见表见表l5)l5)。 54 (5)气流在通道内层流流动时气流在通道内层流流动时 气流呈层流流动气流呈层流流动 时，对流换热

43、系数主要决定于炉气的热导率，而与时，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：式计算： 式中：式中：炉气的热导率炉气的热导率w/(m) d 通道的当量直径通道的当量直径(m)。 55 l l一一4 4 辐射换热辐射换热 辐射传热与传导和对流传热有本质的不同。传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

44、放射，当它落到其它物体上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。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，其波长从辐射能的载体是电磁波，其波长从1m到若干到若干 米，它包括米，它包括x射线、紫外线、可见光、红外线和无线射线、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。可电波等。各种不同波长的射线具有不同的性质。可 见光见光(波长从波长从0.40.8m)和红外线和红外线(波长从波长从0.840m) 能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。这种能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。这种 热能传

45、播的过程叫做热辐射。热能传播的过程叫做热辐射。 56 一、绝对黑体的概念一、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，称它们为外线能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线热射线。 热射线和可见光的本性相同，光的传播、反射和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。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。射和吸收热射线的能力有明显差别。 57 当能量为当能量为Q

46、Q的一束热的一束热 射线投射到物体表面时射线投射到物体表面时 ，也和可见光一样，一，也和可见光一样，一 部分能量部分能量Q QA A将被吸收，将被吸收， 一部分能量一部分能量Q QR R被反射，被反射， 还有一部分能量还有一部分能量Q QD D透射透射 过物体过物体( (如图如图15)15)。 58 按能量守恒定律则有按能量守恒定律则有 式中：式中： 物体的吸收率，用物体的吸收率，用A A表示；表示； 物体的反射率，用物体的反射率，用R R表示；表示； 物体的透射率，用物体的透射率，用D D表示。表示。 则则 A + R + D A + R + D 1 1 (130)(130) Q QA Q

47、QR Q QD 59 如果如果A=1，则则RD0，即辐射能全部被吸收，即辐射能全部被吸收， 这种物体称绝对黑体，简称这种物体称绝对黑体，简称黑体黑体。 如果如果R1，则则AD0，即辐射能全部被反射，即辐射能全部被反射， 这种物体称绝对白体，简称这种物体称绝对白体，简称白体白体。 如果如果D1，则则A=R0，即辐射能全部被透过，即辐射能全部被透过， 这种物体称绝对透过体，简称这种物体称绝对透过体，简称透过体透过体。 60 自然界中并没有真正绝对的黑体、白体和透过自然界中并没有真正绝对的黑体、白体和透过 体体。煤烟炱和丝绒最接近黑体，其。煤烟炱和丝绒最接近黑体，其A A约为约为0.970.97。氧

48、、。氧、 氮及空气等氮及空气等D1D1，称为绝对透明体。，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，固体和液体对于辐射能实际上都是不透过体， 即即D D0 0，所有气体对于辐射能都没有反射能力，所有气体对于辐射能都没有反射能力， 即即R R0 0。 为研究方便，人们用人工方法制成黑体模型。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在温度均匀、不透过热射线的空心壁上开一小孔 ( (见图见图l6)l6)， 61 此小孔具有绝对黑体性质：此小孔具有绝对黑体性质： 所有进入小孔的辐射能，在多次反射过程中所有进入小孔的辐射能，在多次反射过程中 几

49、乎全部被内壁吸收几乎全部被内壁吸收。小孔面积与空腔内壁面积。小孔面积与空腔内壁面积 之比之比越越小，小孔小，小孔越越接近黑体。当它们的面积比小接近黑体。当它们的面积比小 于于0.6，空腔内壁的吸收率为，空腔内壁的吸收率为0.8时，则小孔的时，则小孔的 吸收率吸收率A大于大于0.998，非常接近黑体。，非常接近黑体。 62 二、黑体辐射基本定律二、黑体辐射基本定律 1 1、普朗克定律、普朗克定律 普朗克定律普朗克定律：黑体在不同温度下的单色辐射力：黑体在不同温度下的单色辐射力I I0 0( (角标 角标 “0”“0”表示黑体表示黑体) )随波长随波长的分布规律，即的分布规律，即 式中：式中： 波

50、长波长( (m)m)； T T 黑体表面的绝对温度黑体表面的绝对温度( (K)K)； e e 自然对数的底数；自然对数的底数； C C1 1 常数，其值为常数，其值为3 3.734.734101016 16(w.m (w.m2 2) )； C C2 2 常数，其值为常数，其值为1 1.4387.43871010-2 -2(mK) (mK)。 63 将式将式(1-31)画成图画成图1-7，可以更清楚地显示，可以更清楚地显示 不同温度下黑体的不同温度下黑体的I0按波长分布情况。从该图可按波长分布情况。从该图可 得下述规律：得下述规律： (1)(1)黑体在每一个温度下，都可辐射出波长从黑体在每一个温

51、度下，都可辐射出波长从 0 0到到的各种射线，当的各种射线，当趋趋近于近于0 0或或时，时，I I0 0值 值 也也趋趋近于零。近于零。 64 (2)(2)在每一温度下，在每一温度下，I I0 0随波长变化有一最大值， 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，即如下关系，即维思维思( (wien)wien)定律定律： （mK） (1-32) 式中：式中：m m 物体表面最大单色辐射力所对应的波长。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由维恩定律可知，对应最大辐射力的波长与

52、绝 对温度的乘积为常数，对温度的乘积为常数，如果知道对应于最大辐射力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。察火色来判别加热温度的理论依据。 3 108976. 2 T m 65 2 2、斯蒂芬、斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律 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，用辐射能量的总和，称为该温度下的辐射力，用E E表示。黑体的表示。黑体的 辐射力辐射力E E0 0为为 积分后改写成积分后改

53、写成 式中：式中：C C0 0- -黑体的辐射系数，其值为黑体的辐射系数，其值为5 5.675w/(m.675w/(m2 2KK4 4)。 表明表明黑体的辐射力与绝对温度的四次方成正比，称为黑体的辐射力与绝对温度的四次方成正比，称为辐射辐射 四次方定律四次方定律，也叫斯蒂芬波尔兹曼定律。，也叫斯蒂芬波尔兹曼定律。 66 3 3、灰体和实际物体的辐射力、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黑体的光谱曲线相似，而且它的单色辐射力I I 与同 与同 温度、同波长下黑体的单色辐射力温度、同波长下

54、黑体的单色辐射力I I0 0之比为定值 之比为定值 ，并且与波长和温度无关，即，并且与波长和温度无关，即 那么，那么，这种物体为灰体，这种物体为灰体， 称为灰体的单色 称为灰体的单色 黑度黑度，或单色辐射率。上述关系可用图，或单色辐射率。上述关系可用图1 1-8-8表示。表示。 67 4 4、克希荷夫定律、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。夫定律揭示了灰体的吸收率和黑体之间的定量关系。 设有两个相设有两个相距距很近，面积相等的平行大平很近，面积相等的平行大平 面面( (如

55、图如图1 1-9)-9)，两者温度相同，中间为完全可，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，以透过辐射力的空间，且不受外界影响，F F1 1面面 为任意灰体，其吸收率为为任意灰体，其吸收率为A A1 1，黑度为黑度为1 1，F F0 0面面 为黑体，其吸收率为为黑体，其吸收率为1 1。由。由F F0 0面向面向F F1 1面辐射的辐面辐射的辐 射力射力E E0 0，其中有其中有E E0 0 A A1 1部分被部分被F F1 1面所吸收；同时，面所吸收；同时， 由由F F1 1面所辐射的辐射力面所辐射的辐射力E E1 1E E0 01 1，也全部被也全部被F F0 0

56、面所吸收。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。则量的损失，体系处于平衡状态。则F F1 1面的热支出就等于热收面的热支出就等于热收 入，热平衡方程为：入，热平衡方程为： 式式(1(137)37)即为克希荷夫定律的数学表达式。可描述为：即为克希荷夫定律的数学表达式。可描述为： 热平衡条件下，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体辐射能的吸收率等于同温度下该灰体的 黑度黑度。凡。凡吸收率大的物质，其辐射率也大吸收率大的物质，其辐射率也大。 69 三、两物体间的辐射热交换三、

57、两物体间的辐射热交换 1 1、角度系数、角度系数 物体辐射热交换量，与辐射面的形状、大小和相对位置有关。任意物体辐射热交换量，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，其面积为放置的两个均匀辐射面，其面积为F F1 1及及F F2 2，由由F F1 1直接辐射到直接辐射到F F2 2上的辐射上的辐射Q Q12 12 与与F F1 1面上辐射出去的总辐射能面上辐射出去的总辐射能Q Q1 1之比，称为之比，称为F Fl l对对F F2 2的角度系数，以的角度系数，以12 12表 表 示。示。 同理同理 式中：式中：Q Q21 21 F F2 2辐射到辐射到F Fl l 上的辐

58、射能（ 上的辐射能（w w）；）； Q Q 2 2 F F2 2辐射出去的总辐射能辐射出去的总辐射能( (W)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。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。得下列最常见的几种封闭体系内角度系数值。 (

59、1)(1)两个相两个相距距很近的平行大平面，如图很近的平行大平面，如图1-10(1-10(a)a)， 12 12 l l，21 21 l l。 (2)(2)两个很大的同轴圆柱表面，如图两个很大的同轴圆柱表面，如图1 1-10(b)-10(b)所示，所示， 它相当于长轴在井式炉内加热时的情况。这时它相当于长轴在井式炉内加热时的情况。这时 21 21 l l， 12 12 F F2 2/F/F1 1。 (3)(3)一个平面和一个曲面，如图一个平面和一个曲面，如图1 1-10(c)-10(c)所示，它相所示，它相 当于平板在马弗炉内加热时的情况，这时当于平板在马弗炉内加热时的情况，这时21 21 l

60、 l， 12 12 F F2 2/F/F1 1。 71 设有两个相互平行、相设有两个相互平行、相距距又很近的大平面，面积为又很近的大平面，面积为 F Fl l=F=F2 2=F(=F(图图1-11)1-11)，各自的表面温度均匀，并保持恒定，其，各自的表面温度均匀，并保持恒定，其 表面温度分别为表面温度分别为T T1 1、T T2 2，并且并且T T1 1TT2 2。两平面间的介质为透两平面间的介质为透 过体。若过体。若F F1 1面辐射出的能量为面辐射出的能量为Q Q1 1，全部投到全部投到F F2 2面并全部被吸面并全部被吸 收，同时收，同时F F2 2面辐射出的能量为面辐射出的能量为Q