01傳熱基本原理

1、1 第一章第一章 傳熱基本原理傳熱基本原理 熱處理爐的主要任務(wù)是加熱金屬工件，它不但熱處理爐的主要任務(wù)是加熱金屬工件，它不但 要保證生產(chǎn)率及實(shí)現(xiàn)既定的工藝參數(shù)要保證生產(chǎn)率及實(shí)現(xiàn)既定的工藝參數(shù)(加熱溫度、加加熱溫度、加 熱速度、溫度的均勻性、爐膛氣氛的成分等熱速度、溫度的均勻性、爐膛氣氛的成分等)，滿足，滿足 工件的技術(shù)要求，而且還應(yīng)控制爐內(nèi)的熱交換過(guò)程，工件的技術(shù)要求，而且還應(yīng)控制爐內(nèi)的熱交換過(guò)程， 降低熱損失，節(jié)省能源，降低加熱成本。降低熱損失，節(jié)省能源，降低加熱成本。 傳熱學(xué)是研究熱的傳播與交換的基本規(guī)律。在傳熱學(xué)是研究熱的傳播與交換的基本規(guī)律。在 爐內(nèi)進(jìn)行著各種復(fù)雜的傳熱過(guò)程，因此掌握傳

2、熱的爐內(nèi)進(jìn)行著各種復(fù)雜的傳熱過(guò)程，因此掌握傳熱的 基本規(guī)律，對(duì)爐子的設(shè)計(jì)及操作是很重要的?；疽?guī)律，對(duì)爐子的設(shè)計(jì)及操作是很重要的。 2 本章重點(diǎn)研究熱處理爐內(nèi)的傳熱問(wèn)題，本章重點(diǎn)研究熱處理爐內(nèi)的傳熱問(wèn)題，為爐子設(shè)為爐子設(shè) 計(jì)、制造、操作及節(jié)能打好理論基礎(chǔ)計(jì)、制造、操作及節(jié)能打好理論基礎(chǔ)。 1 1-1 -1 基本概念基本概念 傳熱或換熱傳熱或換熱: : 熱量從一物體傳向另一物體或由熱量從一物體傳向另一物體或由 同一物體的某一部分傳向另一部分的過(guò)程。同一物體的某一部分傳向另一部分的過(guò)程。 熱處理爐內(nèi)進(jìn)行的熱傳遞過(guò)程盡管比較復(fù)雜，熱處理爐內(nèi)進(jìn)行的熱傳遞過(guò)程盡管比較復(fù)雜， 但也是但也是傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射

3、三種基本形式傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種基本形式組成的綜合組成的綜合 傳熱過(guò)程。傳熱過(guò)程。 3 一、傳熱的基本形式一、傳熱的基本形式 1 1、傳導(dǎo)傳熱、傳導(dǎo)傳熱 溫度不同的接觸物體間或一物體中各部溫度不同的接觸物體間或一物體中各部 分之間熱能的傳遞過(guò)程。分之間熱能的傳遞過(guò)程。 2、對(duì)流傳熱、對(duì)流傳熱 流體在流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移和相流體在流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移和相 互混合而發(fā)生的熱量傳遞。互混合而發(fā)生的熱量傳遞。 4 3 3、輻射傳熱、輻射傳熱 輻射輻射：任何物體在高于熱力學(xué)零度時(shí)，都會(huì)不：任何物體在高于熱力學(xué)零度時(shí)，都會(huì)不 停地向外發(fā)射粒子停地向外發(fā)射粒子( (光子光子) )的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 輻

4、射傳熱輻射傳熱：輻射不需任何介質(zhì)。物體間通過(guò)輻：輻射不需任何介質(zhì)。物體間通過(guò)輻 射能進(jìn)行的熱能傳遞過(guò)程。射能進(jìn)行的熱能傳遞過(guò)程。 5 傳熱過(guò)程中傳熱過(guò)程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)化伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，即，即從熱能到輻從熱能到輻 射能以及從輻射能又轉(zhuǎn)化為熱能射能以及從輻射能又轉(zhuǎn)化為熱能。 如果系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度不同的物體如果系統(tǒng)中有兩個(gè)或兩個(gè)以上溫度不同的物體， 它們都同時(shí)向?qū)Ψ捷椛淠芰亢臀胀渡溆谄渖系妮椝鼈兌纪瑫r(shí)向?qū)Ψ捷椛淠芰亢臀胀渡溆谄渖系妮?射能量。它們之間由于相互輻射而發(fā)生的熱量傳遞射能量。它們之間由于相互輻射而發(fā)生的熱量傳遞 過(guò)程，稱為過(guò)程，稱為輻射傳熱或輻射換熱輻射傳熱或輻射換熱。

5、6 二、溫度場(chǎng)與溫度梯度二、溫度場(chǎng)與溫度梯度 1 1、溫度場(chǎng)、溫度場(chǎng) 溫度場(chǎng)是描述物體中溫度的分布情況，它是空間坐標(biāo)和溫度場(chǎng)是描述物體中溫度的分布情況，它是空間坐標(biāo)和 時(shí)間坐標(biāo)的函數(shù)，即：時(shí)間坐標(biāo)的函數(shù)，即： (1 - 1) (1 - 1) 式中：式中：x,y,z x,y,z 該點(diǎn)的空間坐標(biāo)；該點(diǎn)的空間坐標(biāo)； 時(shí)間坐標(biāo)。時(shí)間坐標(biāo)。 這個(gè)函數(shù)叫溫度場(chǎng)函數(shù)。若物體的溫度沿這個(gè)函數(shù)叫溫度場(chǎng)函數(shù)。若物體的溫度沿x x、y y、z z三個(gè)方三個(gè)方 向都有變化，稱向都有變化，稱三向溫度場(chǎng)三向溫度場(chǎng)；若只在一個(gè)方向上有變化，則；若只在一個(gè)方向上有變化，則 稱稱單向溫度場(chǎng)單向溫度場(chǎng)，即：，即： (1 - 2)

6、(1 - 2) ,zyxft , xft 7 如果物體各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化稱為如果物體各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化稱為穩(wěn)定溫度場(chǎng)穩(wěn)定溫度場(chǎng)。這。這 時(shí)溫度分布函數(shù)簡(jiǎn)化為：時(shí)溫度分布函數(shù)簡(jiǎn)化為： (1 - 3) 如果物體各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化而變化，此時(shí)的溫如果物體各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化而變化，此時(shí)的溫 度場(chǎng)稱度場(chǎng)稱不穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)不穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)，這種傳熱過(guò)程叫，這種傳熱過(guò)程叫不穩(wěn)定態(tài)傳熱不穩(wěn)定態(tài)傳熱。如。如 升溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。升溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。 0),( t zyxft及 8 2 2、溫度梯度、溫度梯度 等溫面等溫面：在溫度場(chǎng)內(nèi)，同一時(shí)刻具有相同溫度各點(diǎn)連接：在溫度場(chǎng)內(nèi)，同一時(shí)刻具有相同溫度各點(diǎn)

7、連接 成的面。成的面。 溫度梯度溫度梯度：物體：物體( (或體系內(nèi)或體系內(nèi)) )相鄰兩等溫面間的溫度差相鄰兩等溫面間的溫度差 tt與兩等溫面法線方向的與兩等溫面法線方向的距距離離nn的比例極限。用下式來(lái)表的比例極限。用下式來(lái)表 示：示： （/m m） (1 - 4) (1 - 4) 溫度梯度是表示溫度變化的一個(gè)向量，其數(shù)值等于在和溫度梯度是表示溫度變化的一個(gè)向量，其數(shù)值等于在和 等溫面相垂直的單位等溫面相垂直的單位距距離上溫度變化值，并離上溫度變化值，并規(guī)定由低到高為規(guī)定由低到高為 正，由高到低為負(fù)正，由高到低為負(fù)。 n t n t gradt n lim 0 9 三、熱流和熱流密度三、熱流和

8、熱流密度 熱流熱流：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由高溫物體傳給低溫物體的熱量叫：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)由高溫物體傳給低溫物體的熱量叫 熱流或熱流量，用熱流或熱流量，用Q Q表示，單位為表示，單位為W W，即即J/sJ/s。 熱流密度熱流密度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱流，稱為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面積的熱流，稱為 熱流密度，用熱流密度，用q q表示，單位為表示，單位為W/mW/m2 2，即即 （W/mW/m2 2） (1 - 5) (1 - 5) 熱流、熱流密度都為向量，其方向與溫度梯度方向相反。熱流、熱流密度都為向量，其方向與溫度梯度方向相反。 FQq/ 10 l-2 l-2 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱 一、傳導(dǎo)傳熱的基本方

9、程式一、傳導(dǎo)傳熱的基本方程式 導(dǎo)熱基本方程式，即博立葉定律。導(dǎo)熱基本方程式，即博立葉定律。 （W/mW/m2 2） (1-6) (1-6) 式中：式中：Q Q 沿沿n n方向的熱流量方向的熱流量( (w)w)； q q 熱流密度熱流密度( (W Wm m2 2) )； F F 與熱流方向垂直的傳熱面積與熱流方向垂直的傳熱面積( (m m2 2) )； 比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率 W/(mW/(m) 溫度梯度溫度梯度(m)m)，負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯 度方向相反。度方向相反。 dn dt FQq/ dn dt 11 二、熱導(dǎo)率二、熱導(dǎo)率 為在單位時(shí)間內(nèi)，每

10、米長(zhǎng)溫度降低為在單位時(shí)間內(nèi)，每米長(zhǎng)溫度降低11時(shí)，單時(shí)，單 位面積能傳遞的熱流量。用位面積能傳遞的熱流量。用表示，單位為表示，單位為w w (m)(m)。 材料的熱導(dǎo)率與溫度的變化呈線性關(guān)系，即材料的熱導(dǎo)率與溫度的變化呈線性關(guān)系，即 (17) (17) 式中：式中：t t t t時(shí)材料的熱導(dǎo)率；時(shí)材料的熱導(dǎo)率； 0 0 0 0時(shí)材料的熱導(dǎo)率；時(shí)材料的熱導(dǎo)率； b b 材料的熱導(dǎo)率溫度系數(shù)，因材料而材料的熱導(dǎo)率溫度系數(shù)，因材料而 異。異。 bt t 0 12 在實(shí)際計(jì)算中，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，一般取物在實(shí)際計(jì)算中，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，一般取物 體算術(shù)平均溫度下的熱導(dǎo)率代表物體熱導(dǎo)率的平體算術(shù)平均溫度下的

11、熱導(dǎo)率代表物體熱導(dǎo)率的平 均值。均值。 均均 bt 0 2 tt 21 均 t 式中式中 t t均均 平均溫度（平均溫度（），）， 13 三、平壁爐墻上的導(dǎo)熱三、平壁爐墻上的導(dǎo)熱 1 1、單層平壁爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱、單層平壁爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱 設(shè)單層平壁爐墻設(shè)單層平壁爐墻( (圖圖1 1-1)-1)，其壁厚為，其壁厚為s s，材料材料 的熱導(dǎo)率的熱導(dǎo)率不隨溫度變化，表面溫度分別為不隨溫度變化，表面溫度分別為t t1 1和和 t t2 2(t(t1 1t t2 2) )，并保持恒定。若平壁面積是厚度的并保持恒定。若平壁面積是厚度的 8 8 1010倍倍時(shí)，可忽略端面導(dǎo)熱的影響，誤差小于時(shí)，可忽略端面導(dǎo)熱

12、的影響，誤差小于1 1 。平壁溫度只沿垂直于壁面。平壁溫度只沿垂直于壁面x x軸方向變化，所軸方向變化，所 以它是單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。以它是單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。 14 為了求出通過(guò)這一平壁爐墻的熱流密度，在平壁內(nèi)取為了求出通過(guò)這一平壁爐墻的熱流密度，在平壁內(nèi)取 一厚度為一厚度為dxdx的單元薄層，設(shè)其兩側(cè)的溫度差為的單元薄層，設(shè)其兩側(cè)的溫度差為dtdt，根據(jù)傅立根據(jù)傅立 葉定律，通過(guò)這一單元薄層的熱流密度葉定律，通過(guò)這一單元薄層的熱流密度 分離變量后積分得分離變量后積分得 故熱流密度：故熱流密度： （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 若平壁爐墻的面積為若平壁爐墻的面積為F F，而且內(nèi)外表面積相等，而且內(nèi)外表面積相等， 則在則在1 1小時(shí)內(nèi)通過(guò)小時(shí)內(nèi)通過(guò)F F面積所傳導(dǎo)的熱流量面積所傳導(dǎo)的熱流量 （W W） (1-9) (1-9) 在上兩式中，在上兩式中，s/s/為為單位面積的平壁熱阻單位面積的平壁熱阻， s/s/（FF）是是面積為面積為F F的平壁熱阻的平壁熱阻。由此可見，熱流。由此可見，熱流 量與溫度差量與溫度差( (t t1 1-t-t2 2) )成正比，與熱阻成正比，與熱阻s/s/（FF）成反比。成反比。 F s tt qFQ 21 16 實(shí)際的平壁爐墻實(shí)際的平壁

14、爐墻( (如箱式爐爐墻如箱式爐爐墻) )面積并非很面積并非很 大，而且其內(nèi)外表面積也不相等，因而它的導(dǎo)熱大，而且其內(nèi)外表面積也不相等，因而它的導(dǎo)熱 面是變化的。這時(shí)面是變化的。這時(shí)上式中的導(dǎo)熱面積應(yīng)該用平均上式中的導(dǎo)熱面積應(yīng)該用平均 面 積 代 替面 積 代 替 ， 一 般 按 如 下 方 法 近 似 計(jì) 算 。， 一 般 按 如 下 方 法 近 似 計(jì) 算 。 17 當(dāng)當(dāng)F F2 2 /F /F1 122時(shí)，用算術(shù)平均面積，即時(shí)，用算術(shù)平均面積，即 ( (m m2 2) (1-10) (1-10) 當(dāng)當(dāng)F F2 2 /F /F1 1 2 2時(shí)，用幾何平均面積，即時(shí)，用幾何平均面積，即 ( (

15、m m2 2) (1-11) (1-11) 式中：式中：F F1 1、F F2 2 分別為單層平壁爐墻的內(nèi)、分別為單層平壁爐墻的內(nèi)、 外表面積外表面積 ( (m m2 2) )。 2 21 FF F 21.F FF 18 2 2、多層平壁爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱、多層平壁爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱 一般熱處理爐的爐墻，大多為兩層或三層一般熱處理爐的爐墻，大多為兩層或三層 不同材料砌成的不同材料砌成的( (圖圖12)12)，設(shè)爐墻界面溫度依次，設(shè)爐墻界面溫度依次 為為t t1 1、t t2 2、t t3 3、t t4 4(t(t1 1t t2 2t t3 3t t4 4) )，各層厚度為各層厚度為 s s1 1、s

16、s2 2、s s3 3，各層間緊密接觸。各層的熱導(dǎo)率用各層間緊密接觸。各層的熱導(dǎo)率用 1 1、2 2、3 3表示。表示。 19 第一層第一層： （a） 第二層第二層： （b） 第三層第三層： （c） 在穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過(guò)平壁爐墻各層的在穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過(guò)平壁爐墻各層的熱流或熱流或 熱流密度應(yīng)相等熱流密度應(yīng)相等。 根據(jù)式根據(jù)式(18)可分別寫出通過(guò)各層的熱流密度：可分別寫出通過(guò)各層的熱流密度： )( 21 1 1 tt s q )( 32 2 2 tt s q )( 43 3 3 tt s q 20 由上述三個(gè)方程可求出三個(gè)未知量由上述三個(gè)方程可求出三個(gè)未知量q、 t 2和 和t 3， ，由于由

17、于是溫度的函數(shù)，由上頁(yè)式是溫度的函數(shù)，由上頁(yè)式 (a) (c)經(jīng)運(yùn)算得：經(jīng)運(yùn)算得： (W/m2) (1-12) 3 3 2 2 1 1 41 sss tt q 21 同理，同理，n n層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式 ( (W/mW/m2 2) (1-13) (1-13) 若多層爐墻的總熱阻已知，則各層間的界面溫若多層爐墻的總熱阻已知，則各層間的界面溫 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 在求界面溫度時(shí)，必須先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)一界面在

18、求界面溫度時(shí)，必須先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)一界面 溫度，然后根據(jù)假設(shè)溫度算出各層的溫度，然后根據(jù)假設(shè)溫度算出各層的值及總熱阻，值及總熱阻， 再代入式再代入式(114)求得界面溫度。求得界面溫度。 如果計(jì)算界面溫度和假設(shè)溫度相差較少如果計(jì)算界面溫度和假設(shè)溫度相差較少(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，應(yīng)重新假，應(yīng)重新假 設(shè)再進(jìn)行計(jì)算，直到誤差小于設(shè)再進(jìn)行計(jì)算，直到誤差小于5為止。為止。 一般規(guī)定爐墻外表面溫度為一般規(guī)定爐墻外表面溫度為50。 23 對(duì)對(duì)各層導(dǎo)熱面積不同的各層導(dǎo)熱面積不同的n n層平壁爐墻層平壁爐墻，則應(yīng)用下，則應(yīng)用下 述公式計(jì)算熱流量。述公式計(jì)算熱流量。 (

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為第為第i層的平均傳熱面積，其計(jì)算方法層的平均傳熱面積，其計(jì)算方法 與單層平壁爐墻相同，對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行到穩(wěn)定態(tài)后的與單層平壁爐墻相同，對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行到穩(wěn)定態(tài)后的 熱處理爐，只要測(cè)量爐墻內(nèi)外表面溫度后，就可算熱處理爐，只要測(cè)量爐墻內(nèi)外表面溫度后，就可算 出它的導(dǎo)熱損失及其界面溫度。出它的導(dǎo)熱損失及其界面溫度。 由上式可知，由上式可知，多層壁的熱流量決定于總溫差和多層壁的熱流量決定于總溫差和 總熱阻，而總熱阻等于各層熱阻之和總熱阻，而總熱阻等于各層熱阻之和。 25 舉例：舉例： 一爐墻內(nèi)層由

20、輕質(zhì)耐火粘土磚一爐墻內(nèi)層由輕質(zhì)耐火粘土磚（QN）-1.0 砌成，厚度為砌成，厚度為113mm，外層由，外層由A級(jí)硅藻土磚砌級(jí)硅藻土磚砌 成，厚度為成，厚度為230mm，爐墻內(nèi)表面溫度為，爐墻內(nèi)表面溫度為950， 試求試求1m1m2 2爐墻面積上的導(dǎo)熱損失。爐墻面積上的導(dǎo)熱損失。 26 2 2 1 1 31 ss tt q 解：通過(guò)兩層爐墻導(dǎo)熱的熱流密度的計(jì)算公式為：解：通過(guò)兩層爐墻導(dǎo)熱的熱流密度的計(jì)算公式為： 可見，要計(jì)算可見，要計(jì)算q，需先計(jì)算，需先計(jì)算1、2，t2、t3未未 知。需要假設(shè)知。需要假設(shè)t2 ，然后核算。假設(shè)，然后核算。假設(shè)t2810、t3 50 ，則：，則： t1t3900

21、；S S1 1= 0.113m= 0.113m；S S2 2 0.23m0.23m 27 輕質(zhì)耐火粘土磚的熱導(dǎo)率輕質(zhì)耐火粘土磚的熱導(dǎo)率1 1為為： 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.)） 硅藻土磚的熱導(dǎo)率硅藻土磚的熱導(dǎo)率2 2為：為： 204. 0 2 50810 10232. 0104. 0 3 2 （W/(m.)） 28 將求得的將求得的1 1和和2 2代入計(jì)算公式，即可求得熱代入計(jì)算公式，即可求得熱 流密度值：流密度值： 669 204. 0

22、23. 0 519. 0 113. 0 50950 q （W/m2） 驗(yàn)算界面溫度：驗(yàn)算界面溫度： 805 519. 0 113. 0 669950 1 1 12 s qtt （） 29 與原假設(shè)誤差為：與原假設(shè)誤差為： %6 . 0%100 810 805810 誤差小于誤差小于5，故原假設(shè)的，故原假設(shè)的t2可用?？捎?。 30 四、圓筒爐墻的導(dǎo)熱四、圓筒爐墻的導(dǎo)熱 1 1、單層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱、單層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱 設(shè)單層圓筒爐墻的內(nèi)外半徑為設(shè)單層圓筒爐墻的內(nèi)外半徑為r r1 1、r r2 2，高度高度 為為L(zhǎng)(LL(Lr r2 2) )，內(nèi)外表面溫度分別為恒定的溫度內(nèi)外表面溫度分別為恒

23、定的溫度t t1 1 和和t t2 2 ( (圖圖1 1-3)-3)，且，且t t1 1t t2 2，爐墻材料的熱導(dǎo)率爐墻材料的熱導(dǎo)率為為 常數(shù)，因此這是單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。常數(shù)，因此這是單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。 31 為了導(dǎo)出圓筒爐墻的導(dǎo)熱公式，在圓筒爐墻為了導(dǎo)出圓筒爐墻的導(dǎo)熱公式，在圓筒爐墻 內(nèi)的半徑內(nèi)的半徑r處，取一厚度為處，取一厚度為dr的單元圓筒，其兩側(cè)的單元圓筒，其兩側(cè) 溫度差為溫度差為dt，根據(jù)傅立葉定律，在單位時(shí)間內(nèi)通根據(jù)傅立葉定律，在單位時(shí)間內(nèi)通 過(guò)此單元圓筒傳導(dǎo)的過(guò)此單元圓筒傳導(dǎo)的熱流量熱流量為：為： (1-16) rL dr dt F dr dt Q2 32 因因Q、L、為常

24、數(shù)為常數(shù)(不隨不隨r變化變化)，分離變量后積分，分離變量后積分 積分后得積分后得 33 為了便于與傳熱一般方程和平壁爐墻的導(dǎo)熱公為了便于與傳熱一般方程和平壁爐墻的導(dǎo)熱公 式進(jìn)行比較，上式可改寫成式進(jìn)行比較，上式可改寫成 式中，式中， ，它是，它是圓筒爐墻的對(duì)數(shù)圓筒爐墻的對(duì)數(shù) 平均面積平均面積，其中，其中F F1 1、F F2 2分別為內(nèi)外表面積，分別為內(nèi)外表面積，s s為單層為單層 圓筒爐墻的厚度。這時(shí)圓筒爐墻內(nèi)的溫度分布按對(duì)圓筒爐墻的厚度。這時(shí)圓筒爐墻內(nèi)的溫度分布按對(duì) 數(shù)規(guī)律變化。數(shù)規(guī)律變化。 1 2 12 ln/ )( F F FFF 34 考慮到實(shí)際爐墻的熱導(dǎo)率隨溫度呈線性變化，考慮到實(shí)

25、際爐墻的熱導(dǎo)率隨溫度呈線性變化， 這時(shí)上式中這時(shí)上式中也用熱導(dǎo)率平均值代入。也用熱導(dǎo)率平均值代入。 由此可見，圓筒爐墻和平壁爐墻傳導(dǎo)熱流量的由此可見，圓筒爐墻和平壁爐墻傳導(dǎo)熱流量的 計(jì)算公式在形式上完全相同。計(jì)算公式在形式上完全相同。 工程上為了計(jì)算方便，當(dāng)工程上為了計(jì)算方便，當(dāng)F F2 2 /F/F1 122時(shí)，可用算時(shí)，可用算 術(shù)平均面積代替對(duì)數(shù)平均面積。這樣簡(jiǎn)化，術(shù)平均面積代替對(duì)數(shù)平均面積。這樣簡(jiǎn)化，Q Q值的計(jì)值的計(jì) 算結(jié)果要偏大些，但其計(jì)算誤差不超過(guò)算結(jié)果要偏大些，但其計(jì)算誤差不超過(guò)4 4。 35 2 2、多層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱、多層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱 對(duì)于由對(duì)于由n n層組成的多層

26、圓筒爐墻，若已知其內(nèi)層組成的多層圓筒爐墻，若已知其內(nèi) 外表面的恒定溫度分別為外表面的恒定溫度分別為t t1 1和和t tn+1 n+1， ，(t(t1 1t tn+1 n+1) )， ，各各 層的內(nèi)外半徑以及各層的材料和圓筒爐墻的高度層的內(nèi)外半徑以及各層的材料和圓筒爐墻的高度L L 也已知，并假定各層間緊密接觸，求通過(guò)這也已知，并假定各層間緊密接觸，求通過(guò)這n n層圓層圓 筒爐墻的導(dǎo)熱熱流及各交界面溫度。這也是個(gè)單筒爐墻的導(dǎo)熱熱流及各交界面溫度。這也是個(gè)單 向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，可用下式進(jìn)行運(yùn)算。向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，可用下式進(jìn)行運(yùn)算。 36 多層多層( (n n層層) )圓筒爐墻的導(dǎo)熱熱流量圓筒爐墻

27、的導(dǎo)熱熱流量 如果圓筒爐墻各層的內(nèi)外高度不等，則熱流如果圓筒爐墻各層的內(nèi)外高度不等，則熱流 量用下式計(jì)算量用下式計(jì)算 37 式中，式中，si/（iFi）為第為第i層圓筒爐墻的層圓筒爐墻的 熱阻，其計(jì)算方法與單層圓筒爐墻相同。熱阻，其計(jì)算方法與單層圓筒爐墻相同。 由此可見，和多層平壁爐墻一樣，由此可見，和多層平壁爐墻一樣，多層圓多層圓 筒爐墻的總熱阻等于各層爐墻熱阻之和筒爐墻的總熱阻等于各層爐墻熱阻之和。 各層的界面溫度按式各層的界面溫度按式(1-14)計(jì)算，但計(jì)算，但 這時(shí)公式中各層的熱阻為圓筒爐墻各層的這時(shí)公式中各層的熱阻為圓筒爐墻各層的 熱阻。熱阻。 38 在工程上對(duì)流傳熱主要發(fā)生在流體與

28、固體表面在工程上對(duì)流傳熱主要發(fā)生在流體與固體表面 之間，此時(shí)既包括流體質(zhì)點(diǎn)位移所產(chǎn)生的對(duì)流作用，之間，此時(shí)既包括流體質(zhì)點(diǎn)位移所產(chǎn)生的對(duì)流作用， 也包括流體質(zhì)點(diǎn)間的導(dǎo)熱作用，這種對(duì)流傳熱稱為也包括流體質(zhì)點(diǎn)間的導(dǎo)熱作用，這種對(duì)流傳熱稱為 對(duì)流給熱。對(duì)流給熱。 在熱處理爐上，對(duì)流換熱主要發(fā)生在爐氣、鹽在熱處理爐上，對(duì)流換熱主要發(fā)生在爐氣、鹽 浴爐中的熔鹽、流動(dòng)粒子爐中流動(dòng)粒子與工件表面浴爐中的熔鹽、流動(dòng)粒子爐中流動(dòng)粒子與工件表面 之間的傳熱以及爐墻外表面與車間空氣之間的傳熱之間的傳熱以及爐墻外表面與車間空氣之間的傳熱 等。等。 1-3 1-3 對(duì)流換熱對(duì)流換熱 39 一、對(duì)流換熱的計(jì)算一、對(duì)流換熱的

29、計(jì)算 牛頓公式牛頓公式對(duì)流換熱所傳遞的熱流量與流體和固體表對(duì)流換熱所傳遞的熱流量與流體和固體表 面間的溫度差以及兩者的接觸面積成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為面間的溫度差以及兩者的接觸面積成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中：式中：Q Q 單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流換熱量，即熱流量單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流換熱量，即熱流量( (w)w)； q q 單位時(shí)間內(nèi)，在單位傳熱面積上的對(duì)流換熱量，單位時(shí)間內(nèi)，在單位傳熱面積上的對(duì)流換熱量， 即熱流密度（即熱流密度（W/mW/m2 2）；）； t t1 1-t-t2 2 流體與固體表面的溫度差流體與固體表面的溫度差()()； F F 流體與固體的接觸面積流體與固體的接觸面積( (m m2 2)

30、)； 對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù) w w(m(m2 2)，它表示流體與固體它表示流體與固體 表面之間的溫度差為表面之間的溫度差為11時(shí)，每秒鐘通過(guò)時(shí)，每秒鐘通過(guò)1 1m m2 2面積所傳遞的熱面積所傳遞的熱 量。量。 40 牛頓公式的形式很簡(jiǎn)單，將影響對(duì)流換熱的牛頓公式的形式很簡(jiǎn)單，將影響對(duì)流換熱的 各因素都集中在對(duì)流換熱系數(shù)上。計(jì)算對(duì)流換熱各因素都集中在對(duì)流換熱系數(shù)上。計(jì)算對(duì)流換熱 量主要就是求出各種具體條件下的對(duì)流換熱系數(shù)量主要就是求出各種具體條件下的對(duì)流換熱系數(shù) 。 影響對(duì)流換熱的因素很多，如：流體流動(dòng)的影響對(duì)流換熱的因素很多，如：流體流動(dòng)的 動(dòng)力；流體的流動(dòng)狀態(tài)；流體的物理性質(zhì)；流體動(dòng)力

31、；流體的流動(dòng)狀態(tài)；流體的物理性質(zhì)；流體 與固體接觸表面的幾何形狀、大小、放置位置；與固體接觸表面的幾何形狀、大小、放置位置； 粗糙程度以及固體表面與流體的溫度等。粗糙程度以及固體表面與流體的溫度等。 41 1 1、流體流動(dòng)的動(dòng)力、流體流動(dòng)的動(dòng)力 按流體流動(dòng)動(dòng)力的來(lái)源不同，流體流動(dòng)可分為按流體流動(dòng)動(dòng)力的來(lái)源不同，流體流動(dòng)可分為 自然流動(dòng)自然流動(dòng)和和強(qiáng)制流動(dòng)強(qiáng)制流動(dòng)( (或強(qiáng)迫流動(dòng)或強(qiáng)迫流動(dòng)) )。 自然流動(dòng)自然流動(dòng) 由于流體內(nèi)存在溫度差，造成流體由于流體內(nèi)存在溫度差，造成流體 內(nèi)各部分密度不同而引起的流動(dòng)。所進(jìn)行的換熱稱內(nèi)各部分密度不同而引起的流動(dòng)。所進(jìn)行的換熱稱 為為自然對(duì)流換熱自然對(duì)流換熱，

32、是流體和溫度不同的固體表面接，是流體和溫度不同的固體表面接 觸的結(jié)果，流動(dòng)速度與流體性質(zhì)、固體表面的位置觸的結(jié)果，流動(dòng)速度與流體性質(zhì)、固體表面的位置 等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。傳熱強(qiáng)度主要取決于溫度差傳熱強(qiáng)度主要取決于溫度差。 42 強(qiáng)制流動(dòng)強(qiáng)制流動(dòng) 流體受外力流體受外力(如風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)如風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī) 等等)作用而發(fā)生的流動(dòng)。所進(jìn)行的換熱稱作用而發(fā)生的流動(dòng)。所進(jìn)行的換熱稱強(qiáng)制對(duì)強(qiáng)制對(duì) 流換熱流換熱，其，其換熱強(qiáng)度主要取決于流體的流動(dòng)速度換熱強(qiáng)度主要取決于流體的流動(dòng)速度。 43 2 2、流體的流動(dòng)狀態(tài)、流體的流動(dòng)狀態(tài) 流體的流動(dòng)狀態(tài)分為流體的流動(dòng)狀態(tài)分為層流層流和和紊流紊流。 層流流動(dòng)時(shí)層流流動(dòng)時(shí)

33、，流體的質(zhì)點(diǎn)都平行于固體表面流，流體的質(zhì)點(diǎn)都平行于固體表面流 動(dòng)動(dòng)(圖圖14(a)，流體與固體表面之間的熱量傳遞流體與固體表面之間的熱量傳遞 主要靠互不干擾的流層導(dǎo)熱，而其熱流方向垂直于主要靠互不干擾的流層導(dǎo)熱，而其熱流方向垂直于 流體的流動(dòng)方向。流體的流動(dòng)方向。 紊流流動(dòng)時(shí)紊流流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)不僅沿前進(jìn)方向流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)不僅沿前進(jìn)方向流動(dòng)， 而且還向其它方向做不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)而且還向其它方向做不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)(圖圖1 4(b）。）。 44 紊流流動(dòng)紊流流動(dòng)時(shí)，時(shí)，流體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)發(fā)生急劇的混合，而流體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)發(fā)生急劇的混合，而 流體在宏觀上還是向前流動(dòng)的，但在緊靠固體流體在宏觀上還是向前流動(dòng)的，

34、但在緊靠固體表面表面 的薄層中仍為的薄層中仍為層流層流，即為層流底層。，即為層流底層。 在在層流底層層流底層中，熱量的傳遞靠流體的導(dǎo)熱，而中，熱量的傳遞靠流體的導(dǎo)熱，而 在層流底層以外，熱量的傳遞主要靠流體質(zhì)點(diǎn)的急在層流底層以外，熱量的傳遞主要靠流體質(zhì)點(diǎn)的急 劇混合劇混合( (渦旋混合渦旋混合) )作用，所以它是傳導(dǎo)傳熱和流體作用，所以它是傳導(dǎo)傳熱和流體 質(zhì)點(diǎn)混合作用共同作用的結(jié)果。但質(zhì)點(diǎn)混合作用共同作用的結(jié)果。但傳熱的快慢主要傳熱的快慢主要 受層流底層的控制受層流底層的控制。由于層流底層很薄，故。由于層流底層很薄，故紊流時(shí)紊流時(shí) 的對(duì)流換熱系數(shù)比層流時(shí)要大得多。的對(duì)流換熱系數(shù)比層流時(shí)要大得多

35、。 45 判別層流和紊流的方法判別層流和紊流的方法 層流和絮流可用一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，即雷諾數(shù)層流和絮流可用一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，即雷諾數(shù)( (Re)Re)來(lái)判別。來(lái)判別。 式中：式中： 流體的流速流體的流速( (m/s)m/s)； d d 通道的當(dāng)量直徑通道的當(dāng)量直徑( (m)m)，d=4F/sd=4F/s，s s為通道橫截面為通道橫截面 周長(zhǎng)周長(zhǎng)( (m)m)，F(xiàn) F為通道橫截面積為通道橫截面積( (m m2 2) )； 流體的密度流體的密度( (kg/ mkg/ m2 2) )； 流體的粘度流體的粘度( (N.s/mN.s/m2 2) ) 46 當(dāng)雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)作線狀當(dāng)雷諾數(shù)小于臨界

36、雷諾數(shù)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)作線狀 流動(dòng)，為層流。流動(dòng)，為層流。 當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時(shí)，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)作當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時(shí)，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)作 無(wú)規(guī)則的隨機(jī)流動(dòng)，為紊流。無(wú)規(guī)則的隨機(jī)流動(dòng)，為紊流。 當(dāng)流體在光滑圓管中流動(dòng)時(shí)，當(dāng)流體在光滑圓管中流動(dòng)時(shí)，Re小于小于2100為為 層流；層流；Re大于大于2300為紊流；為紊流；21002300時(shí)，可能時(shí)，可能 為層流，也可能為紊流。為層流，也可能為紊流。 47 3 3、流體的物理性質(zhì)、流體的物理性質(zhì) 影響對(duì)流換熱的流體物理參數(shù)主要是影響對(duì)流換熱的流體物理參數(shù)主要是熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率、 比熱容比熱容、密度密度和和粘度粘度。直接影響流體的流動(dòng)形態(tài)、。直接影響流體的

37、流動(dòng)形態(tài)、 層流底層厚度和導(dǎo)熱性等，從而影響對(duì)流換熱系數(shù)。層流底層厚度和導(dǎo)熱性等，從而影響對(duì)流換熱系數(shù)。 熱導(dǎo)率大的流體，對(duì)流換熱系數(shù)就大熱導(dǎo)率大的流體，對(duì)流換熱系數(shù)就大。如水的。如水的 熱導(dǎo)率是空氣熱導(dǎo)率的熱導(dǎo)率是空氣熱導(dǎo)率的20多倍，因而水的對(duì)流換熱多倍，因而水的對(duì)流換熱 系數(shù)比空氣高。系數(shù)比空氣高。比熱容大的流體，對(duì)流換熱系數(shù)也比熱容大的流體，對(duì)流換熱系數(shù)也 大大。粘度大的流體對(duì)流換熱系數(shù)小粘度大的流體對(duì)流換熱系數(shù)小，而密度大的流而密度大的流 體對(duì)流換熱系數(shù)大體對(duì)流換熱系數(shù)大。 48 4 4、固體的表面形狀、大小和放置位置、固體的表面形狀、大小和放置位置 不論是自然對(duì)流還是強(qiáng)制對(duì)流，傳熱

38、面的形狀和不論是自然對(duì)流還是強(qiáng)制對(duì)流，傳熱面的形狀和 大小，都要影響流體傳熱面附近的流動(dòng)情況，從而影大小，都要影響流體傳熱面附近的流動(dòng)情況，從而影 響對(duì)流換熱系數(shù)的大小。同一固體表面，如果放置位響對(duì)流換熱系數(shù)的大小。同一固體表面，如果放置位 置不同，則對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值也各不相同。置不同，則對(duì)流換熱系數(shù)數(shù)值也各不相同。 如如：垂直平面放熱垂直平面放熱（由下至上為層流區(qū)、過(guò)渡區(qū)（由下至上為層流區(qū)、過(guò)渡區(qū) 、絮流區(qū)）、絮流區(qū)）、水平上表面放熱水平上表面放熱（形成許多氣柱）、（形成許多氣柱）、水水 平下表面放熱平下表面放熱（層流）等。（層流）等。如圖所示如圖所示 49 三、對(duì)流換熱系數(shù)的確定三、對(duì)流換

39、熱系數(shù)的確定 1 1、自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)、自然對(duì)流時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù) 爐墻、爐頂和架空爐底與車間空氣間的對(duì)流換熱均屬爐墻、爐頂和架空爐底與車間空氣間的對(duì)流換熱均屬 自然對(duì)流換熱，其對(duì)流換熱系數(shù)一般用下述經(jīng)驗(yàn)公式確定自然對(duì)流換熱，其對(duì)流換熱系數(shù)一般用下述經(jīng)驗(yàn)公式確定 w/(m2. ) w/(m2. ) （1-241-24） 式中：式中：t t1 1 爐墻、爐頂或爐底的外表面溫度爐墻、爐頂或爐底的外表面溫度()()； t t2 2 車間溫度；車間溫度； AA系數(shù)。爐頂系數(shù)。爐頂A A3.263.26；側(cè)墻側(cè)墻A A2.562.56；架空爐架空爐 底底A A1.631.63。 4 21 ttA

40、50 2 2、強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)、強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù) （1）電阻爐內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù)）電阻爐內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流給熱系數(shù) 電阻爐內(nèi)電阻爐內(nèi) 因安裝風(fēng)扇，爐氣采取強(qiáng)制循環(huán)時(shí)，爐氣對(duì)工件因安裝風(fēng)扇，爐氣采取強(qiáng)制循環(huán)時(shí)，爐氣對(duì)工件 表面的給熱系數(shù)可用下式計(jì)算表面的給熱系數(shù)可用下式計(jì)算 式中式中 g g爐氣的流速爐氣的流速(ms)； K 取決于爐溫的系數(shù)取決于爐溫的系數(shù)(見下表見下表) 8 . 0 g K 51 ( (2)2)氣流沿平面強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)氣流沿平面強(qiáng)制流動(dòng)時(shí) 其對(duì)流換熱系數(shù)其對(duì)流換熱系數(shù) w/(mw/(m2 2. ). )值可按表值可按表1111的近似公式計(jì)算。的近似公式計(jì)算。 表表11l

41、l中的中的0 0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣流速度，若為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣流速度，若 氣流溫度為氣流溫度為t t 時(shí)的實(shí)際流速為時(shí)的實(shí)際流速為t t，則用下式計(jì)則用下式計(jì) 算：算： 52 ( (3)3)氣流沿長(zhǎng)形工件強(qiáng)制流動(dòng)時(shí)氣流沿長(zhǎng)形工件強(qiáng)制流動(dòng)時(shí) 當(dāng)加熱長(zhǎng)形工件時(shí)，循當(dāng)加熱長(zhǎng)形工件時(shí)，循 環(huán)空氣對(duì)工件表面的對(duì)流換熱系數(shù)可用下述近似公式計(jì)算：環(huán)空氣對(duì)工件表面的對(duì)流換熱系數(shù)可用下述近似公式計(jì)算： 式中：式中：t t爐膛內(nèi)循環(huán)空氣的實(shí)際流速爐膛內(nèi)循環(huán)空氣的實(shí)際流速( (m/s)m/s)； K K 取決于爐溫的系數(shù)取決于爐溫的系數(shù)( (見表見表l2)l2)。 53 ( (4)4)爐氣在管道內(nèi)紊流流動(dòng)時(shí)爐氣在管道內(nèi)

42、紊流流動(dòng)時(shí) 爐氣在管道內(nèi)紊流流動(dòng)爐氣在管道內(nèi)紊流流動(dòng) 時(shí)，其對(duì)流換熱系數(shù)可用下式計(jì)算：時(shí)，其對(duì)流換熱系數(shù)可用下式計(jì)算： 式中：式中：t t爐氣的實(shí)際流速爐氣的實(shí)際流速( (m/s)m/s)； d d 通道的當(dāng)量直徑通道的當(dāng)量直徑( (m)m)； Z Z 爐氣溫度系數(shù)爐氣溫度系數(shù)( (見表見表l3)l3)； K KL L 通道長(zhǎng)度通道長(zhǎng)度L L與與d d比值的系數(shù)比值的系數(shù)( (見表見表14)14)； K KH2O H2O 爐氣中水蒸氣含量的系數(shù)爐氣中水蒸氣含量的系數(shù)( (見表見表l5)l5)。 54 (5)氣流在通道內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)氣流在通道內(nèi)層流流動(dòng)時(shí) 氣流呈層流流動(dòng)氣流呈層流流動(dòng) 時(shí)，對(duì)流換熱

43、系數(shù)主要決定于爐氣的熱導(dǎo)率，而與時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)主要決定于爐氣的熱導(dǎo)率，而與 爐氣的流速無(wú)關(guān)，其對(duì)流換熱系數(shù)可用下述近似公爐氣的流速無(wú)關(guān)，其對(duì)流換熱系數(shù)可用下述近似公 式計(jì)算：式計(jì)算： 式中：式中：爐氣的熱導(dǎo)率爐氣的熱導(dǎo)率w/(m) d 通道的當(dāng)量直徑通道的當(dāng)量直徑(m)。 55 l l一一4 4 輻射換熱輻射換熱 輻射傳熱與傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱有本質(zhì)的不同。傳輻射傳熱與傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱有本質(zhì)的不同。傳 導(dǎo)和對(duì)流傳熱必須通過(guò)中間介質(zhì)才能進(jìn)行，而輻射導(dǎo)和對(duì)流傳熱必須通過(guò)中間介質(zhì)才能進(jìn)行，而輻射 傳熱不需要任何中間介質(zhì)。而是熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠軅鳠岵恍枰魏沃虚g介質(zhì)。而是熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?并以電磁波的形式向外

44、放射，當(dāng)它落到其它物體上并以電磁波的形式向外放射，當(dāng)它落到其它物體上 時(shí)，有一部分被吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏刮矬w加熱。時(shí)，有一部分被吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏刮矬w加熱。 輻射能的載體是電磁波，其波長(zhǎng)從輻射能的載體是電磁波，其波長(zhǎng)從1m到若干到若干 米，它包括米，它包括x射線、紫外線、可見光、紅外線和無(wú)線射線、紫外線、可見光、紅外線和無(wú)線 電波等。各種不同波長(zhǎng)的射線具有不同的性質(zhì)?？呻姴ǖ?。各種不同波長(zhǎng)的射線具有不同的性質(zhì)。可 見光見光(波長(zhǎng)從波長(zhǎng)從0.40.8m)和紅外線和紅外線(波長(zhǎng)從波長(zhǎng)從0.840m) 能被物體吸收轉(zhuǎn)化為熱能，稱它們?yōu)闊嵘渚€。這種能被物體吸收轉(zhuǎn)化為熱能，稱它們?yōu)闊嵘渚€。這種 熱能傳

45、播的過(guò)程叫做熱輻射。熱能傳播的過(guò)程叫做熱輻射。 56 一、絕對(duì)黑體的概念一、絕對(duì)黑體的概念 各種不同波長(zhǎng)的射線具有不同性質(zhì)，可見光和紅各種不同波長(zhǎng)的射線具有不同性質(zhì)，可見光和紅 外線能被物體吸收轉(zhuǎn)化為熱能，稱它們?yōu)橥饩€能被物體吸收轉(zhuǎn)化為熱能，稱它們?yōu)闊嵘渚€熱射線。 熱射線和可見光的本性相同，光的傳播、反射和熱射線和可見光的本性相同，光的傳播、反射和 折射的定律可以完全應(yīng)用于熱射線上。折射的定律可以完全應(yīng)用于熱射線上。 各種物體由于原子結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的不同，其輻各種物體由于原子結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的不同，其輻 射和吸收熱射線的能力有明顯差別。射和吸收熱射線的能力有明顯差別。 57 當(dāng)能量為當(dāng)能量為Q

46、Q的一束熱的一束熱 射線投射到物體表面時(shí)射線投射到物體表面時(shí) ，也和可見光一樣，一，也和可見光一樣，一 部分能量部分能量Q QA A將被吸收，將被吸收， 一部分能量一部分能量Q QR R被反射，被反射， 還有一部分能量還有一部分能量Q QD D透射透射 過(guò)物體過(guò)物體( (如圖如圖15)15)。 58 按能量守恒定律則有按能量守恒定律則有 式中：式中： 物體的吸收率，用物體的吸收率，用A A表示；表示； 物體的反射率，用物體的反射率，用R R表示；表示； 物體的透射率，用物體的透射率，用D D表示。表示。 則則 A + R + D A + R + D 1 1 (130)(130) Q QA Q

47、QR Q QD 59 如果如果A=1，則則RD0，即輻射能全部被吸收，即輻射能全部被吸收， 這種物體稱絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱這種物體稱絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體黑體。 如果如果R1，則則AD0，即輻射能全部被反射，即輻射能全部被反射， 這種物體稱絕對(duì)白體，簡(jiǎn)稱這種物體稱絕對(duì)白體，簡(jiǎn)稱白體白體。 如果如果D1，則則A=R0，即輻射能全部被透過(guò)，即輻射能全部被透過(guò)， 這種物體稱絕對(duì)透過(guò)體，簡(jiǎn)稱這種物體稱絕對(duì)透過(guò)體，簡(jiǎn)稱透過(guò)體透過(guò)體。 60 自然界中并沒(méi)有真正絕對(duì)的黑體、白體和透過(guò)自然界中并沒(méi)有真正絕對(duì)的黑體、白體和透過(guò) 體體。煤煙炱和絲絨最接近黑體，其。煤煙炱和絲絨最接近黑體，其A A約為約為0.970.97。氧

48、、。氧、 氮及空氣等氮及空氣等D1D1，稱為絕對(duì)透明體。，稱為絕對(duì)透明體。 固體和液體對(duì)于輻射能實(shí)際上都是不透過(guò)體，固體和液體對(duì)于輻射能實(shí)際上都是不透過(guò)體， 即即D D0 0，所有氣體對(duì)于輻射能都沒(méi)有反射能力，所有氣體對(duì)于輻射能都沒(méi)有反射能力， 即即R R0 0。 為研究方便，人們用人工方法制成黑體模型。為研究方便，人們用人工方法制成黑體模型。 在溫度均勻、不透過(guò)熱射線的空心壁上開一小孔在溫度均勻、不透過(guò)熱射線的空心壁上開一小孔 ( (見圖見圖l6)l6)， 61 此小孔具有絕對(duì)黑體性質(zhì)：此小孔具有絕對(duì)黑體性質(zhì)： 所有進(jìn)入小孔的輻射能，在多次反射過(guò)程中所有進(jìn)入小孔的輻射能，在多次反射過(guò)程中 幾

49、乎全部被內(nèi)壁吸收幾乎全部被內(nèi)壁吸收。小孔面積與空腔內(nèi)壁面積。小孔面積與空腔內(nèi)壁面積 之比之比越越小，小孔小，小孔越越接近黑體。當(dāng)它們的面積比小接近黑體。當(dāng)它們的面積比小 于于0.6，空腔內(nèi)壁的吸收率為，空腔內(nèi)壁的吸收率為0.8時(shí)，則小孔的時(shí)，則小孔的 吸收率吸收率A大于大于0.998，非常接近黑體。，非常接近黑體。 62 二、黑體輻射基本定律二、黑體輻射基本定律 1 1、普朗克定律、普朗克定律 普朗克定律普朗克定律：黑體在不同溫度下的單色輻射力：黑體在不同溫度下的單色輻射力I I0 0( (角標(biāo) 角標(biāo) “0”“0”表示黑體表示黑體) )隨波長(zhǎng)隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律，即的分布規(guī)律，即 式中：式中： 波

50、長(zhǎng)波長(zhǎng)( (m)m)； T T 黑體表面的絕對(duì)溫度黑體表面的絕對(duì)溫度( (K)K)； e e 自然對(duì)數(shù)的底數(shù)；自然對(duì)數(shù)的底數(shù)； C C1 1 常數(shù)，其值為常數(shù)，其值為3 3.734.734101016 16(w.m (w.m2 2) )； C C2 2 常數(shù)，其值為常數(shù)，其值為1 1.4387.43871010-2 -2(mK) (mK)。 63 將式將式(1-31)畫成圖畫成圖1-7，可以更清楚地顯示，可以更清楚地顯示 不同溫度下黑體的不同溫度下黑體的I0按波長(zhǎng)分布情況。從該圖可按波長(zhǎng)分布情況。從該圖可 得下述規(guī)律：得下述規(guī)律： (1)(1)黑體在每一個(gè)溫度下，都可輻射出波長(zhǎng)從黑體在每一個(gè)溫

51、度下，都可輻射出波長(zhǎng)從 0 0到到的各種射線，當(dāng)?shù)母鞣N射線，當(dāng)趨趨近于近于0 0或或時(shí)，時(shí)，I I0 0值 值 也也趨趨近于零。近于零。 64 (2)(2)在每一溫度下，在每一溫度下，I I0 0隨波長(zhǎng)變化有一最大值， 隨波長(zhǎng)變化有一最大值， 當(dāng)溫度升高，其最大值向短波方向移動(dòng)。它們存在當(dāng)溫度升高，其最大值向短波方向移動(dòng)。它們存在 如下關(guān)系，即如下關(guān)系，即維思維思( (wien)wien)定律定律： （mK） (1-32) 式中：式中：m m 物體表面最大單色輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。物體表面最大單色輻射力所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 由維恩定律可知，對(duì)應(yīng)最大輻射力的波長(zhǎng)與絕由維恩定律可知，對(duì)應(yīng)最大輻射力的波長(zhǎng)與

52、絕 對(duì)溫度的乘積為常數(shù)，對(duì)溫度的乘積為常數(shù)，如果知道對(duì)應(yīng)于最大輻射力如果知道對(duì)應(yīng)于最大輻射力 的波長(zhǎng)便可求出輻射體的表面溫度。也就是利用觀的波長(zhǎng)便可求出輻射體的表面溫度。也就是利用觀 察火色來(lái)判別加熱溫度的理論依據(jù)。察火色來(lái)判別加熱溫度的理論依據(jù)。 3 108976. 2 T m 65 2 2、斯蒂芬、斯蒂芬波爾茲曼定律波爾茲曼定律 在一定溫度下單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出各種波長(zhǎng)的在一定溫度下單位面積上，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出各種波長(zhǎng)的 輻射能量的總和，稱為該溫度下的輻射力，用輻射能量的總和，稱為該溫度下的輻射力，用E E表示。黑體的表示。黑體的 輻射力輻射力E E0 0為為 積分后改寫成積分后改

53、寫成 式中：式中：C C0 0- -黑體的輻射系數(shù)，其值為黑體的輻射系數(shù)，其值為5 5.675w/(m.675w/(m2 2KK4 4)。 表明表明黑體的輻射力與絕對(duì)溫度的四次方成正比，稱為黑體的輻射力與絕對(duì)溫度的四次方成正比，稱為輻射輻射 四次方定律四次方定律，也叫斯蒂芬波爾茲曼定律。，也叫斯蒂芬波爾茲曼定律。 66 3 3、灰體和實(shí)際物體的輻射力、灰體和實(shí)際物體的輻射力 如果某物體的輻射光譜是連續(xù)的，光譜曲線與如果某物體的輻射光譜是連續(xù)的，光譜曲線與 黑體的光譜曲線相似，而且它的單色輻射力黑體的光譜曲線相似，而且它的單色輻射力I I 與同 與同 溫度、同波長(zhǎng)下黑體的單色輻射力溫度、同波長(zhǎng)下

54、黑體的單色輻射力I I0 0之比為定值 之比為定值 ，并且與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)，即，并且與波長(zhǎng)和溫度無(wú)關(guān)，即 那么，那么，這種物體為灰體，這種物體為灰體， 稱為灰體的單色 稱為灰體的單色 黑度黑度，或單色輻射率。上述關(guān)系可用圖，或單色輻射率。上述關(guān)系可用圖1 1-8-8表示。表示。 67 4 4、克希荷夫定律、克希荷夫定律 物體的輻射和吸收是物體同一性質(zhì)的兩種形式?？讼：晌矬w的輻射和吸收是物體同一性質(zhì)的兩種形式?？讼：?夫定律揭示了灰體的吸收率和黑體之間的定量關(guān)系。夫定律揭示了灰體的吸收率和黑體之間的定量關(guān)系。 設(shè)有兩個(gè)相設(shè)有兩個(gè)相距距很近，面積相等的平行大平很近，面積相等的平行大平 面面( (如

55、圖如圖1 1-9)-9)，兩者溫度相同，中間為完全可，兩者溫度相同，中間為完全可 以透過(guò)輻射力的空間，且不受外界影響，以透過(guò)輻射力的空間，且不受外界影響，F(xiàn) F1 1面面 為任意灰體，其吸收率為為任意灰體，其吸收率為A A1 1，黑度為黑度為1 1，F(xiàn) F0 0面面 為黑體，其吸收率為為黑體，其吸收率為1 1。由。由F F0 0面向面向F F1 1面輻射的輻面輻射的輻 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；同時(shí)，面所吸收；同時(shí)， 由由F F1 1面所輻射的輻射力面所輻射的輻射力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 由于兩平面的溫度相等，它們?cè)谳椛鋼Q熱過(guò)程中沒(méi)有熱由于兩平面的溫度相等，它們?cè)谳椛鋼Q熱過(guò)程中沒(méi)有熱 量的損失，體系處于平衡狀態(tài)。則量的損失，體系處于平衡狀態(tài)。則F F1 1面的熱支出就等于熱收面的熱支出就等于熱收 入，熱平衡方程為：入，熱平衡方程為： 式式(1(137)37)即為克希荷夫定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式?？擅枋鰹椋杭礊榭讼：煞蚨傻臄?shù)學(xué)表達(dá)式?？擅枋鰹椋?熱平衡條件下，熱平衡條件下，黑體輻射能的吸收率等于同溫度下該灰體的黑體輻射能的吸收率等于同溫度下該灰體的 黑度黑度。凡。凡吸收率大的物質(zhì)，其輻射率也大吸收率大的物質(zhì)，其輻射率也大。 69 三、兩物體間的輻射熱交換三、

57、兩物體間的輻射熱交換 1 1、角度系數(shù)、角度系數(shù) 物體輻射熱交換量，與輻射面的形狀、大小和相對(duì)位置有關(guān)。任意物體輻射熱交換量，與輻射面的形狀、大小和相對(duì)位置有關(guān)。任意 放置的兩個(gè)均勻輻射面，其面積為放置的兩個(gè)均勻輻射面，其面積為F F1 1及及F F2 2，由由F F1 1直接輻射到直接輻射到F F2 2上的輻射上的輻射Q Q12 12 與與F F1 1面上輻射出去的總輻射能面上輻射出去的總輻射能Q Q1 1之比，稱為之比，稱為F Fl l對(duì)對(duì)F F2 2的角度系數(shù)，以的角度系數(shù)，以12 12表 表 示。示。 同理同理 式中：式中：Q Q21 21 F F2 2輻射到輻射到F Fl l 上的輻

58、射能（ 上的輻射能（w w）；）； Q Q 2 2 F F2 2輻射出去的總輻射能輻射出去的總輻射能( (W)W)。 角度系數(shù)只決定于兩個(gè)換熱表面的形狀、大小以及兩者間的相互位角度系數(shù)只決定于兩個(gè)換熱表面的形狀、大小以及兩者間的相互位 置、距離等幾何因素，而與它們的溫度、黑度無(wú)關(guān)。置、距離等幾何因素，而與它們的溫度、黑度無(wú)關(guān)。 70 在熱處理爐的輻射換熱計(jì)算中，最基本的是由兩在熱處理爐的輻射換熱計(jì)算中，最基本的是由兩 個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)。根據(jù)角度系數(shù)的上述規(guī)律可個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)。根據(jù)角度系數(shù)的上述規(guī)律可 得下列最常見的幾種封閉體系內(nèi)角度系數(shù)值。得下列最常見的幾種封閉體系內(nèi)角度系數(shù)值。 (

59、1)(1)兩個(gè)相兩個(gè)相距距很近的平行大平面，如圖很近的平行大平面，如圖1-10(1-10(a)a)， 12 12 l l，21 21 l l。 (2)(2)兩個(gè)很大的同軸圓柱表面，如圖兩個(gè)很大的同軸圓柱表面，如圖1 1-10(b)-10(b)所示，所示， 它相當(dāng)于長(zhǎng)軸在井式爐內(nèi)加熱時(shí)的情況。這時(shí)它相當(dāng)于長(zhǎng)軸在井式爐內(nèi)加熱時(shí)的情況。這時(shí) 21 21 l l， 12 12 F F2 2/F/F1 1。 (3)(3)一個(gè)平面和一個(gè)曲面，如圖一個(gè)平面和一個(gè)曲面，如圖1 1-10(c)-10(c)所示，它相所示，它相 當(dāng)于平板在馬弗爐內(nèi)加熱時(shí)的情況，這時(shí)當(dāng)于平板在馬弗爐內(nèi)加熱時(shí)的情況，這時(shí)21 21 l

60、 l， 12 12 F F2 2/F/F1 1。 71 設(shè)有兩個(gè)相互平行、相設(shè)有兩個(gè)相互平行、相距距又很近的大平面，面積為又很近的大平面，面積為 F Fl l=F=F2 2=F(=F(圖圖1-11)1-11)，各自的表面溫度均勻，并保持恒定，其，各自的表面溫度均勻，并保持恒定，其 表面溫度分別為表面溫度分別為T T1 1、T T2 2，并且并且T T1 1TT2 2。兩平面間的介質(zhì)為透兩平面間的介質(zhì)為透 過(guò)體。若過(guò)體。若F F1 1面輻射出的能量為面輻射出的能量為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，同時(shí)收，同時(shí)F F2 2面輻射出的能量為面輻射出的能量為Q