《传热基本原理》PPT课件.ppt

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1、第一章第一章 传热基本原理传热基本原理 热热处处理理炉炉的的主主要要任任务务是是加加热热金金属属工工件件，它它不不但但要要保保证证生生产产率率及及实实现现既既定定的的工工艺艺参参数数(加加热热温温度度、加加热热速速度度、温温度度的的均均匀匀性性、炉炉膛膛气气氛氛的的成成分分等等)，满满足足工工件件的的技技术术要要求求，而而且且还还应应控控制制炉炉内内的的热热交交换换过过程程，降降低热损失，节省能源，降低加热成本。低热损失，节省能源，降低加热成本。传传热热学学是是研研究究热热的的传传播播与与交交换换的的基基本本规规律律。在在炉炉内内进进行行着着各各种种复复杂杂的的传传热热过过程程，因因此此掌掌握

2、握传传热热的的基基本本规律，对炉子的设计及操作是很重要的。规律，对炉子的设计及操作是很重要的。1 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。11-1 -1 基本概念基本概念 传传热热或或换换热热:热热量量从从一一物物体体传传向向另另一一物物体体或或由由同同一物体的某一部分传向另一部分的过程。一物体的某一部分传向另一部分的过程。热热处处理理炉炉内内进进行行的的热热传传递递过过程程尽尽管管比比较较复复杂杂，但但也也是是传传导导、对对流流、辐辐射射三三种种基基本本形形式式组组成成的的综综合合传

3、传热热过程。过程。2 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。3 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

4、的热能传递过程。射能进行的热能传递过程。4 传传热热过过程程中中伴伴随随着着能能量量的的转转化化，即即从从热热能能到到辐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。如如果果系系统统中中有有两两个个或或两两个个以以上上温温度度不不同同的的物物体体，它它们们都都同同时时向向对对方方辐辐射射能能量量和和吸吸收收投投射射于于其其上上的的辐辐射射能能量量。它它们们之之间间由由于于相相互互辐辐射射而而发发生生的的热热量量传传递递过程，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 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 温温度度场场是是描描述述物物体体中中

5、温温度度的的分分布布情情况况，它它是是空空间间坐坐标标和和时间坐标的函数，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。这这个个函函数数叫叫温温度度场场函函数数。若若物物体体的的温温度度沿沿x x、y y、z z三三个个方方向向都都有有变变化化，称称三三向向温温度度场场；若若只只在在一一个个方方向向上上有有变变化化，则则称称单向温度场单向温度场，即：，即：(1-2)(1-2)6 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

6、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。7 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连接成的面。成的面。温温度度梯梯度度：物物体体(或或体体系系内内)相相邻邻两两等等温温面面间间的的温温度度差差tt与与两两等等温温面面法法线线方方向向的的距距离离nn的的比比例例极极限限。用用下下式式来来表表示：示：（/m

7、 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。8 三、热流和热流密度三、热流和热流密度 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，

8、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。9l-2 l-2 传导传热传导传热 一、传导传热的基本方程式一、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

9、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。10 二、热导率二、热导率 为为在在单单位位时时间间内内，每每米米长长温温度度降降低低11时时，单单位位面面积积能能传传递递的的热热流流量量。用用表表示示，单单位位为为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 材材料料的的热热导导率率温温度度系系数数，因因材材料料而而异。异。11

10、 在在实实际际计计算算中中，为为简简化化计计算算过过程程，一一般般取取物物体体算算术术平平均均温温度度下下的的热热导导率率代代表表物物体体热热导导率率的的平平均值。均值。式中式中 t t均均 平均温度（平均温度（），），12 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 设设单单层层平平壁壁炉炉墙墙(图图1 1-1-1)，其其壁壁厚厚为为s s，材材料料的的热热导导率率不不随随温温度度变变化化，表表面面温温度度分分别别为为t t1 1和和t t2 2(t(t1 1t t2 2)，并并保保持持恒恒定定。若若平平壁壁面面积积是是厚厚度度的的8 8

11、 1010倍倍时时，可可忽忽略略端端面面导导热热的的影影响响，误误差差小小于于1 1。平平壁壁温温度度只只沿沿垂垂直直于于壁壁面面x x轴轴方方向向变变化化，所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。13 为为了了求求出出通通过过这这一一平平壁壁炉炉墙墙的的热热流流密密度度，在在平平壁壁内内取取一一厚厚度度为为dxdx的的单单元元薄薄层层，设设其其两两侧侧的的温温度度差差为为dtdt，根根据据傅傅立立叶叶定律，通过这一单元薄层的热流密度定律，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)14 若若平平壁

12、壁炉炉墙墙的的面面积积为为F F，而而且且内内外外表表面面积积相相等等，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)在在上上两两式式中中，s/s/为为单单位位面面积积的的平平壁壁热热阻阻，s/s/（FF）是是面面积积为为F F的的平平壁壁热热阻阻。由由此此可可见见，热热流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。15实实际际的的平平壁壁炉炉墙墙(如如箱箱式式炉炉炉炉墙墙)面面积积并并非非很很大大，而而且且其其内内外外表表面面积积也也不不相相等等，因因而而它它的的

13、导导热热面面是是变变化化的的。这这时时上上式式中中的的导导热热面面积积应应该该用用平平均均面面 积积 代代 替替，一一 般般 按按 如如 下下 方方 法法 近近 似似 计计 算算。16 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 (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)。17 2 2、多层平壁炉墙的稳定导热、多层平壁炉

14、墙的稳定导热 一一般般热热处处理理炉炉的的炉炉墙墙，大大多多为为两两层层或或三三层层不不同同材材料料砌砌成成的的(图图1212)，设设炉炉墙墙界界面面温温度度依依次次为为t t1 1、t t2 2、t t3 3、t t4 4(t(t1 1t t2 2t t3 3t t4 4)，各各层层厚厚度度为为s s1 1、s s2 2、s s3 3，各各层层间间紧紧密密接接触触。各各层层的的热热导导率率用用1 1、2 2、3 3表示。表示。18 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

15、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：19 由由上上述述三三个个方方程程可可求求出出三三个个未未知知量量q、t2和和t3，由由于于是是温温度度的的函函数数，由由上上页页式式(a)(c)经运算得：经运算得：(W/m2)(1-12)20 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)21在在求求界界面面温温度度时时，必必须须先先根根据据经经验验设设

16、一一界界面面温温度度，然然后后根根据据假假设设温温度度算算出出各各层层的的值值及及总总热热阻阻，再代入式再代入式(114)求得界面温度。求得界面温度。如如果果计计算算界界面面温温度度和和假假设设温温度度相相差差较较少少(5以以下下)，即即可可采采用用；如如果果相相差差大大于于5，应应重重新新假假设再进行计算，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。22 对对各各层层导导热热面面积积不不同同的的n n层层平平壁壁炉炉墙墙，则则应应用用下下述公式计算热流量。述公式计算热流量。(W)(1-15)W)(1-15)23 上式中上式中Fi为

17、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。24举例：举例：一一炉炉墙墙内内层层由由轻轻质质耐耐火火粘粘土土砖砖（QN）-1.0砌砌成成，厚厚度度为为113mm，外外层层由由A级级硅硅藻藻土土砖砖砌砌成

18、成，厚厚度度为为230mm，炉炉墙墙内内表表面面温温度度为为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。25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：可可见见，要要计计算算q，需需先先计计算算1、2，t2、t3未未知知。需需要要假假设t2，然然后后核核算算。假假设t2810、t350，则：t1t3900；S S1 1；S S2 2 26 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 11010-3-3t t均均（W/(m.)W/(m.)）（W/(m.)）硅藻土砖的热导率硅藻土砖的热导率2 2为：为：（W

19、/(m.)）27 将将求求得得的的1 1和和2 2代代入入计计算算公公式式，即即可可求求得得热热流密度值：流密度值：（W/m2）验算界面温度：验算界面温度：（）28与原假设误差为：与原假设误差为：误差小于误差小于5，故原假设的，故原假设的t2可用。可用。29 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 设设单单层层圆圆筒筒炉炉墙墙的的内内外外半半径径为为r r1 1、r r2 2，高高度度为为L(LL(Lr r2 2)，内内外外表表面面温温度度分分别别为为恒恒定定的的温温度度t t1 1和和t t2 2 (图图1 1-3-3)，且且t t1 1

20、t t2 2，炉炉墙墙材材料料的的热热导导率率为为常常数数，因此这是单向稳定态导热问题。因此这是单向稳定态导热问题。30 为为了了导导出出圆圆筒筒炉炉墙墙的的导导热热公公式式，在在圆圆筒筒炉炉墙墙内内的的半半径径r处处，取取一一厚厚度度为为dr的的单单元元圆圆筒筒，其其两两侧侧温温度度差差为为dt，根根据据傅傅立立叶叶定定律律，在在单单位位时时间间内内通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)31 因因Q、L、为常数为常数(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32 为为了了便便于于与与传传热热一一般般方方程程和和平平壁壁炉炉墙墙的

21、的导导热热公公式进行比较，上式可改写成式进行比较，上式可改写成 式式中中，它它是是圆圆筒筒炉炉墙墙的的对对数数平平均均面面积积，其其中中F F1 1、F F2 2分分别别为为内内外外表表面面积积，s s为为单单层层圆圆筒筒炉炉墙墙的的厚厚度度。这这时时圆圆筒筒炉炉墙墙内内的的温温度度分分布布按按对对数规律变化。数规律变化。33 考考虑虑到到实实际际炉炉墙墙的的热热导导率率随随温温度度呈呈线线性性变变化化，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。由由此此可可见见，圆圆筒筒炉炉墙墙和和平平壁壁炉炉墙墙传传导导热热流流量量的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

22、。工工程程上上为为了了计计算算方方便便，当当F F2 2 /F/F1 122时时，可可用用算算术术平平均均面面积积代代替替对对数数平平均均面面积积。这这样样简简化化，Q Q值值的的计计算结果要偏大些，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。34 2 2、多层圆筒炉墙的稳定导热、多层圆筒炉墙的稳定导热 对对于于由由n n层层组组成成的的多多层层圆圆筒筒炉炉墙墙，若若已已知知其其内内外外表表面面的的恒恒定定温温度度分分别别为为t t1 1和和t tn+1n+1，(t(t1 1t tn+1n+1)，各各层层的的内内外外半半径径以以及及各各层层的的材材料料和和圆圆筒筒炉炉墙墙的的高

23、高度度L L也也已已知知，并并假假定定各各层层间间紧紧密密接接触触，求求通通过过这这n n层层圆圆筒筒炉炉墙墙的的导导热热热热流流及及各各交交界界面面温温度度。这这也也是是个个单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。35 多层多层(n n层层)圆筒炉墙的导热热流量圆筒炉墙的导热热流量 如如果果圆圆筒筒炉炉墙墙各各层层的的内内外外高高度度不不等等，则则热热流流量用下式计算量用下式计算 36 式式中中，si/（iFi）为为第第i层层圆圆筒筒炉炉墙墙的的热热阻阻，其其计计算算方方法法与与单单层层圆圆筒筒炉炉墙墙相相同同。由由此此可可见见，和和多多层层平平壁壁炉炉墙

24、墙一一样样，多多层层圆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。各各层层的的界界面面温温度度按按式式(1-14)计计算算，但但这这时时公公式式中中各各层层的的热热阻阻为为圆圆筒筒炉炉墙墙各各层层的的热阻。热阻。37在工程上对流传热主要发生在流体与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

25、、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38 一、对流换热的计算一、对流换热的计算 牛牛顿顿公公式式对对流流换换热热所所传传递递的的热热流流量量与与流流体体和和固固体体表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 单单位位时时间间内内，在在单单位位传传热热面

26、面积积上上的的对对流流换换热热量量，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)；对对流流换换热热系系数数 w w(m(m2 2)，它它表表示示流流体体与与固固体体表表面面之之间间的的温温度度差差为为11时时，每每秒秒钟钟通通过过1 1m m2 2面面积积所所传传递递的的热热量。量。39 牛牛顿顿公公式式的的形形式式很很简简单单，将将影影响响对对流流换换热热的的各各因因素素都都集集中中在在对对流流换换热热系系数数上上。计计算算对对流流换换热热量

27、量主主要要就就是是求求出出各各种种具具体体条条件件下下的的对对流流换换热热系系数数。影影响响对对流流换换热热的的因因素素很很多多，如如：流流体体流流动动的的动动力力；流流体体的的流流动动状状态态；流流体体的的物物理理性性质质；流流体体与与固固体体接接触触表表面面的的几几何何形形状状、大大小小、放放置置位位置置；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。40 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

28、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，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。41 强强制制流流动动 流流体体受受外外力力(如如风风机机、搅搅拌拌机机等等)作作用用而而发发生生的的流流动动。所所进进行行的的换换热热称称强强制制对对流换热流换热，其，其换热强度主要取决于流体的流动速度换热强度

29、主要取决于流体的流动速度。42 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。层层流流流流动动时时，流流体体的的质质点点都都平平行行于于固固体体表表面面流流动动(图图14(a)，流流体体与与固固体体表表面面之之间间的的热热量量传传递递主主要要靠靠互互不不干干扰扰的的流流层层导导热热，而而其其热热流流方方向向垂垂直直于于流体的流动方向。流体的流动方向。紊紊流流流流动动时时，流流体体质质点点不不仅仅沿沿前前进进方方向向流流动动，而而且且还还向向其其它它方方向向做做不不规规则则的的曲曲线线运运动动(图图14(b）。43 紊紊流流流流动动时时，流流体

30、体内内各各质质点点发发生生急急剧剧的的混混合合，而而流流体体在在宏宏观观上上还还是是向向前前流流动动的的，但但在在紧紧靠靠固固体体表表面面的薄层中仍为的薄层中仍为层流层流，即为，即为层流底层层流底层。在在层层流流底底层层中中，热热量量的的传传递递靠靠流流体体的的导导热热，而而在在层层流流底底层层以以外外，热热量量的的传传递递主主要要靠靠流流体体质质点点的的急急剧剧混混合合(涡涡旋旋混混合合)作作用用，所所以以它它是是传传导导传传热热和和流流体体质质点点混混合合作作用用共共同同作作用用的的结结果果。但但传传热热的的快快慢慢主主要要受受层层流流底底层层的的控控制制。由由于于层层流流底底层层很很薄薄

31、，故故紊紊流流时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。44 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 通通道道的的当当量量直直径径(m)m)，d=4F/sd=4F/s，s s为为通通道道横横截截面面周长周长(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(2 2)45当当雷雷诺诺数数小小于于临临界界雷雷诺诺数数时时，流流体体

32、质质点点作作线线状状流动，为层流。流动，为层流。当当雷雷诺诺数数大大于于临临界界雷雷诺诺数数时时，导导致致流流体体质质点点作作无规则的随机流动，为紊流。无规则的随机流动，为紊流。当当流流体体在在光光滑滑圆圆管管中中流流动动时时，Re小小于于2100为为层层流流；Re大大于于2300为为紊紊流流；21002300时时，可可能能为层流，也可能为紊流。为层流，也可能为紊流。46 3 3、流体的物理性质、流体的物理性质 影影响响对对流流换换热热的的流流体体物物理理参参数数主主要要是是热热导导率率、比比热热容容、密密度度和和粘粘度度。直直接接影影响响流流体体的的流流动动形形态态、层流底层厚度和导热性等，

33、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。47 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 不不论论是是自自然然对对流流还还是是强强制制对对流流，传传热热面面的的形形状状和

34、和大大小小，都都要要影影响响流流体体传传热热面面附附近近的的流流动动情情况况，从从而而影影响响对对流流换换热热系系数数的的大大小小。同同一一固固体体表表面面，如如果果放放置置位位置不同，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：垂垂直直平平面面放放热热（由由下下至至上上为为层层流流区区、过过渡渡区区、絮絮流流区区）、水水平平上上表表面面放放热热（形形成成许许多多气气柱柱）、水水平平下表面放热下表面放热（层流）等。（层流）等。如图所示如图所示48 三、对流换热系数的确定三、对流换热系数的确定 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 炉炉墙墙、炉

35、炉顶顶和和架架空空炉炉底底与与车车间间空空气气间间的的对对流流换换热热均均属属自然对流换热，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系系数数。炉炉顶顶A A3.263.26；侧侧墙墙A A2.562.56；架架空空炉炉底底A A1.631.63。49 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）电电阻阻炉炉内内强强制制对对流流给给热热系系数数 电电阻

36、阻炉炉内内因因安安装装风风扇扇，炉炉气气采采取取强强制制循循环环时时，炉炉气气对对工工件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)50 (2)2)气气流流沿沿平平面面强强制制流流动动时时 其其对对流流换换热热系系数数 w/w/(m(m2 2.).)值可按值可按表表1111的近似公式计算。的近似公式计算。表表11l l中中的的0 0为为标标准准状状态态下下的的气气流流速速度度，若若气气流温度为流温度为t t 时的实际流速为时的实际流速为t t，则用下式计算：则用下式计算：51 (3)3)

37、气气流流沿沿长长形形工工件件强强制制流流动动时时 当当加加热热长长形形工工件件时时，循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)。52(4)4)炉炉气气在在管管道道内内紊紊流流流流动动时时 炉炉气气在在管管道道内内紊紊流流流流动动时，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

38、当量直径(m)m)；Z Z 炉气温度系数炉气温度系数(见见表表l3l3)；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(见见表表1414)；K KH2OH2O 炉气中水蒸气含量的系数炉气中水蒸气含量的系数(见见表表l5l5)。53 (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

39、直径(m)。54l l一一4 4 辐射换热辐射换热 辐辐射射传传热热与与传传导导和和对对流流传传热热有有本本质质的的不不同同。传传导导和和对对流流传传热热必必须须通通过过中中间间介介质质才才能能进进行行，而而辐辐射射传传热热不不需需要要任任何何中中间间介介质质。而而是是热热能能转转变变为为辐辐射射能能并并以以电电磁磁波波的的形形式式向向外外放放射射，当当它它落落到到其其它它物物体体上上时，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。辐辐射射能能的的载载体体是是电电磁磁波波，其其波波长长从从1m到到若若干干米米，它它包包括括x射射线线、紫紫外外线线、可可见

40、见光光、红红外外线线和和无无线线电电波波等等。各各种种不不同同波波长长的的射射线线具具有有不不同同的的性性质质。可可见见光光(波波长长从从m)和和红红外外线线(波波长长从从0.840m)能能被被物物体体吸吸收收转转化化为为热热能能，称称它它们们为为热热射射线线。这这种种热热能能传传播的过程叫做热辐射。播的过程叫做热辐射。55 一、绝对黑体的概念一、绝对黑体的概念 各各种种不不同同波波长长的的射射线线具具有有不不同同性性质质，可可见见光光和和红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。热热射射线线和和可可见见光光的的本本性性相相同同，光光的的传传播播

41、、反反射射和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。各各种种物物体体由由于于原原子子结结构构和和表表面面状状态态的的不不同同，其其辐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。56 当当能能量量为为Q Q的的一一束束热热射射线线投投射射到到物物体体表表面面时时，也也和和可可见见光光一一样样，一一部部分分能能量量Q QA A将将被被吸吸收收，一一部部分分能能量量Q QR R被被反反射射，还还有有一一部部分分能能量量Q QD D透透射射过过物体物体(如图如图15)15)。57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

42、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)58 如如果果A=1，则则RD0，即即辐辐射射能能全全部部被被吸吸收收，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。如如果果R1，则则AD0，即即辐辐射射能能全全部部被被反反射射，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。如如果果D1，则则A=R0，即即辐辐射射能能全全部部被被透透过过，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。59 自自然然界界中中并并没没有

43、有真真正正绝绝对对的的黑黑体体、白白体体和和透透过过体体。煤煤烟烟炱炱和和丝丝绒绒最最接接近近黑黑体体，其其A A约约为为。氧氧、氮氮及空气等及空气等D1D1，称为绝对透明体。，称为绝对透明体。固固体体和和液液体体对对于于辐辐射射能能实实际际上上都都是是不不透透过过体体，即即D D0 0，所所有有气气体体对对于于辐辐射射能能都都没没有有反反射射能能力力，即即R R0 0。为为研研究究方方便便，人人们们用用人人工工方方法法制制成成黑黑体体模模型型。在在温温度度均均匀匀、不不透透过过热热射射线线的的空空心心壁壁上上开开一一小小孔孔(见见图图l6l6)，60 此小孔具有绝对黑体性质：此小孔具有绝对黑

44、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。61 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 普普朗朗克克定定律律：黑黑体体在在不不同同温温度度下下的的单单色色辐辐射射力力I I00(角角标标“0”“0”表示黑体表示黑

45、体)随波长随波长的分布规律，即的分布规律，即式中：式中：波长波长(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 3.73410.73410162162)；C C2 2 常数，其值为常数，其值为1 1.438710.438710-2-2(mK)(mK)。62将将式式(1-31)画画成成图图1-7，可可以以更更清清楚楚地地显显示示不不同同温温度度下下黑黑体体的的I0按按波波长长分分布布情情况况。从从该该图图可可得下述规律：得下述规律：(1)(1)黑黑体体在在每每一一个个温温度度下下，都都可可辐辐射

46、射出出波波长长从从0 0到到的的各各种种射射线线，当当趋趋近近于于0 0或或时时，I I00值值也也趋趋近于零。近于零。63 (2)(2)在在每每一一温温度度下下，I I00随随波波长长变变化化有有一一最最大大值值，当当温温度度升升高高，其其最最大大值值向向短短波波方方向向移移动动。它它们们存存在在如下关系，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。由由维维恩恩定定律律可可知知，对对应应最最大大辐辐射射力力的的波波长长与与绝绝对对温温度度的的乘乘积积为为常常数数，如如果果

47、知知道道对对应应于于最最大大辐辐射射力力的的波波长长便便可可求求出出辐辐射射体体的的表表面面温温度度。也也就就是是利利用用观观察察火色来判别加热温度的理论依据。火色来判别加热温度的理论依据。64 2 2、斯蒂芬、斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律 在在一一定定温温度度下下单单位位面面积积上上，单单位位时时间间内内发发射射出出各各种种波波长长的的辐辐射射能能量量的的总总和和，称称为为该该温温度度下下的的辐辐射射力力，用用E E表表示示。黑黑体体的的辐射力辐射力E E0 0为为 积分后改写成积分后改写成 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.67

48、5w/(m2 2KK4 4)。表表明明黑黑体体的的辐辐射射力力与与绝绝对对温温度度的的四四次次方方成成正正比比，称称为为辐辐射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。65 3 3、灰体和实际物体的辐射力、灰体和实际物体的辐射力 如如果果某某物物体体的的辐辐射射光光谱谱是是连连续续的的，光光谱谱曲曲线线与与黑黑体体的的光光谱谱曲曲线线相相似似，而而且且它它的的单单色色辐辐射射力力I I与与同同温温度度、同同波波长长下下黑黑体体的的单单色色辐辐射射力力I I00之之比比为为定定值值，并且与波长和温度无关，即并且与波长和温度无关，即 那那么么，这这种种物物体体为为灰

49、灰体体，称称为为灰灰体体的的单单色色黑度黑度，或单色辐射率。上述关系可用，或单色辐射率。上述关系可用图图1 1-8-8表示。表示。66 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。设设有有两两个个相相距距很很近近，面面积积相相等等的的平平行行大大平平面面(如如图图1 1-9)-9)，两两者者温温度度相相同同，中中间间为为完完全全可可以以透透过过辐辐射射力力的的空空间间，且且不不受受外外界界影影响响，F F1 1面面为

50、为任任意意灰灰体体，其其吸吸收收率率为为A A1 1，黑黑度度为为1 1，F F0 0面面为为黑黑体体，其其吸吸收收率率为为1 1。由由F F0 0面面向向F F1 1面面辐辐射射的的辐辐射射力力E E0 0，其其中中有有E E0 0 A A1 1部部分分被被F F1 1面面所所吸吸收收；同同时时，由由F F1 1面面所所辐辐射射的的辐辐射射力力E E1 1E E0 01 1，也也全全部部被被F F0 0面所吸收。面所吸收。67 由由于于两两平平面面的的温温度度相相等等，它它们们在在辐辐射射换换热热过过程程中中没没有有热热量量的的损损失失，体体系系处处于于平平衡衡状状态态。则则F F1 1面面