第一章传热基本原理

(m )
2
2
(1 10)
F2 当 ＞2时 F1
F F 1F 2
(m )
(1 11)
2013年7月9日
24
2.关于多层平壁炉墙导热的计算公式
图1-2为3层不同材料与厚度平壁炉墙
第 q t1 t 2 1 一 s1 层 1
t
第 q t2 t3 2 二 s2 层 2 第 q 3 三 层
2013年7月9日 9
二、关于温度场、温度梯度
1、温度场：它是描述物体种温度分布情况，是空间 坐标和时间坐标的函数：
t f ( x, y, z, )
t 0
稳定传热 （保温期）
t 0
2013年7月9日
不稳定传热 （升温或降温）
10
2、温度梯度：温度沿等温面法线方向的变化率
热导率 λ恒定
t
1
t
2
面导热的影响，误差不大于1％。） 因而平壁温度只沿垂
直于壁面x轴方向变化，所以它是单向稳定态导热问题。
2013年7月9日 22
平壁炉墙上的导热计算公式
Q dt q F dx
t2 t1
dt
q

dx
q
t
热导率 λ恒定
t
1
dt dx
0
s
q
t1 t 2
特点：对流传热过程中，既有流体质点的导 热作用，又有流体质点位移产生的对流作用。
3.辐射传热—任何物体在高于热力学零度时，都会
不停地向外发射粒子（光子），该现象称为辐射。 定义：
物体间通过辐 特点： ①辐射传热不需要任何介质 ②辐射传热伴随着能量的转化 热能→辐射能→热能
射能进行的热
能传递过程，
③辐射体之间能同时向对方辐射能量
t1 t2 s
t2=100℃,S=0.345m

1000 100 炉墙平 tp 550 C 均温度 2
查教材P179附表3，得粘土砖的平均热导率 λ =0.698+0.64×10-3t，把tp=550℃代入t得： λ =0.698+0.00064×550=1.056[w/(m ℃)]
热处理炉 课程
教材：吉泽生《热处理炉》
电子教案
武汉科技大学 材料与冶金学院 金 属 材 料 工 程 系 从善海
2013年7月9日
1
教材：《热处理炉》
吉泽升编著，哈尔滨工程大学出版社，06年8月版
参考书： 1.《热处理炉》 曾祥模主编， 西北工业大学出版社，1989年8月 2.《热处理车间设备及设计》 臧尔寿主编， 冶金工业出版社，1995年 3.《热处理车间设备及设计》 山东人民出版社，1977年10月 4.《热处理手册》 第2版，第3卷， 2013年7月9日 机械工业出版社，1992年10月
(W / m 2 )
3 3
t
1
t
2
t
q
s s
1 2
3
q q1 q 2 q 3
总流密度
q t1 t 4
t3 t4

s
t
s
3
4
3 3
0 图1-2多层平 壁炉墙导热
25
x

s
1 1


s
2 2


s
(1 12 )
2013年7月9日
3.复合多层炉墙的热流量计算公式
求通过炉墙的热流Q及界面温度t2
2013年7月9日 14
二.热导率（λ ）
物理意义
在单位时间内，每米长温度降低1℃时，单位面积能传 递的热流量，单位为加（W/m· ℃）。热导率反映了物 体导热能力的大小。
注意：λ 是实验数据，与材料的种类、物质结构、杂
质含量、密度、气孔、温度和湿度等因素有关，而与 几何形状无关。
2013年7月9日 15
r
1
Q

F 2 F1
ln F F
2 1
(t1 t 2)
Q
2L(r 2 r1) ln 2Lr 2
(t1 t 2)
2Lr
1
令
F 2 F1
ln F F
2 1
F
F Q (t1 t 2) s
t t Q
1
2
s F
2013年7月9日
28
单层圆桶炉墙的稳定导热热流计算公式
2013年7月9日
1000 100 q 2684 .7 w / m 2 答：炉侧墙散热量 为2684.7W/m2 0.345 30 1.056
例题2：有一箱式电阻炉为双层平壁炉墙(侧墙)，内层由QN－1.0 的轻质砖砌成，外层由A级硅藻土砖，内外层厚分别为115㎜和 230㎜，已知炉内表面温度为920℃，外表温度为50℃，试计算稳 定态时炉墙的散热损失热流密度、界面温度。 t 解：由公式可知，两层平壁 炉墙的传导热流密度q为：
和吸收对方投射来的辐射能量 ④ “对等性”
称为辐射传热
1.从中心向各个方向沿着直线伸展出去。
2.指热辐射、光线、无线电波等电磁波的传播也叫辐射。
辐射有一个重要的特点，就是它是
“对等的”。不论物体(气体)温度
高低都向外辐射，甲物体可以向乙 物体辐射，同时乙也可向甲辐射。 这一点不同于传导，传导是单向进 行的。遭遇到大量辐射的人都应用 肥皂和大量清水彻底冲洗整个身体, 并立即寻求医生或专家的帮助 !
t1 950 C
t2
t1 t 3 q s1 s 2
q
(W / m 2 )
0.115 0.230
31
50C
1
2
0
2013年7月9日
双层平壁炉墙导热
x
式中：
t1 t3 950 50 900 C

S1 0.115m ，S2 0.23m
为了计算λ 值，假设界面温度t2=720℃,则轻质粘土砖 平均热导率为:
2
18
2013年7月9日
物态与热导率关系
固体＞液体＞气体
固体
银的热导率为420W/（m· ℃） 铜的热导率为391W/（m· ℃） 铁的热导率为73W/（m· ℃）
纯金属的温度↗而 ↘ 高合金钢的温度↗而 ↗ 碳钢和低合金钢的温度↗而 ↘
液体 气体
2013年7月9日
热导率为 0.07～0.7 W／（m· ℃） 热导率为0.006～0.6W／（m· ℃）
2013年7月9日
焦耳/秒 ( J / s)
12
1. 热流密度
定义：单位时间内通过单位面积的热量叫热流密度。
用q表示，单位为W/M2）
表达式为
q Q/ F
2013年7月9日 13
§1-2 传导传热
一.传导传热表达式
Q dt q F dn
(W /m2 )
(1 6)
F—与热流方向垂直的传热面积（ m2 ） λ—比例系数，称为热导率， [W/（m· ℃）] dt —温度梯度，（℃/m） dn
1p 0.29 0.26 10 3 t 1p
0.29 0.26 10 3 835 0.507[w /(m C)]

2013年7月9日
t1 t 2 950 720 t1p 835 C 2 2 32
同理， A级硅藻土砖平均热导率为
t 2 t 3 720 50 t 2p 385 C 2 2

s
q
0
t1 t 2 q s
dx
s
t
2
(W / m )
t1 t 2 Q qF s F
2
(1 8)
单层平壁 炉墙导热
23

(W ) (1 9)
2013年7月9日
s
为单位面积 的平壁热阻
s F
是面积为F的 平壁热阻
F的取值：
F2 当 2时 F1
F1 F 2 F 2
Ⅰ
t2 — t3
Ⅱ
Ⅲ 2 3
Q
1

t t s F
1 1 1
2
Q
2

t2 t3
1
s F
2 2

t
1
2
s F
2 3
t
2
3
Q Q Q
1
2
1
t
Q
3
Q

t1 t 3
s F
1 1

1
F F
2 2 3
s
(W )
2 3
s
1
s
2
t 2 t
2013年7月9日
1
Q
s F
1 1
( C )
1 2
2 1
r1 r r2
t2 L
x
Q
2L(t1 t 2) 1
dr

2013年7月9日
ln r 2
(W )
图1-5单层圆筒壁炉墙导热
27
r
1
Q
2L(t1 t 2) 1


s
ln r 2
Q
2L(r 2 r1Fra Baidu bibliotek (r 2 r1)

(r 2 r1)
1
r
1

ln r 2
(t1 t 2)
2p 0.1 0.23 10 3 t 2p
0.1 0.23 10 3 385 0.188[w /(m C)]

t1 t 3 950 50 q 620 ( W / m 2 ) S1 S2 0.115 0.230 1p 2p 0.507 0.188
t1 t 2 Q s F
F
1
(W )(1 18)
F
2
2
分别是圆筒炉墙内、外表面积
1
F F F ln F F
2 1
是圆筒炉墙对数平均面积
r r
2 1
2
可用算术平均面积代 替对数平均面积
29
2013年7月9日
例题1：有一厚度为345mm粘土砖炉侧墙，其内表面温度为 1000℃，其外表面温度为100℃，求该炉墙的散热量。 解：散热量散热量计算公式： q 已知t1=1000℃,
19
●固体非金属材料的热导率低于金属材料的热导率
耐火材料和保温材料的热导率范围：
3.0～0.025W/（m· ℃）之间
空气的热导率很小（0.024W／（m· ℃）
★工程上常把λ值小于0.25W／（m· ℃）的材 料称为保温材料（又称绝热材料或隔热材料）
2013年7月9日 20
对大多数非金属材料来说： 1.当温度t↗ 2.相同物质 则：λ↗ 当体积密度ρ ↗则λ ↗，ρ↘则λ↘ 保温材料 质轻？
2
第一章 传热基本原理
●讲授内容： 第一章的基本概念、传导传热和对流换热 ●讲授要达到的目的及要求：
1.理解或掌握：基本概念清楚，了解传热的基本概念，熟
悉有关传导传热的基本形式、基本定律和影响因素等；
掌握传导传热、对流传热、辐射传热和综合传热的计算
方法。
2013年7月9日 3
2.记忆： 传导传热，热流，热流密度，热导率， 热阻，黑体，黑度，灰度 3.论述或应用 ●重点和难点：传导传热的表达公式及应用
t t gradt lim n 0 n n
∆t—物体相邻两等温面间的温度差 ∆n—两等温面法线方向的距离
（℃/m)
2013年7月9日
11
三、关于热流和热流密度
1. 热流
定义：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Q表示，单位为W（W=J/S）
表达式为
Q qF
保温材料属多孔性材料，正是由于其小孔内存有空气 阻碍热量的传导，从而使其具有较小的热导率。
2013年7月9日 21
三、平壁炉墙上的导热
1.关于单层平壁炉墙的热流密度、 热流量计算公式
单层平壁炉墙， 壁厚为S，炉墙稳 态传热，表面温度为t1、t2（t1＞t2）
dx
（若平壁面积是厚度的8～10倍时，可忽略端 0 s t
1
图1-4复合多层 平壁炉墙导热
26
dt dt Q qF F 2rL dr dr
四、圆筒炉墙的导热
1、单层圆桶炉墙的稳定导热
t
dr dt 2 L r
Q
Q r 2 dr dt 2 L r t1 r1
t2
t1
t ln r t 2 L r Q
2013年7月9日
4
§1-1 基本概念
传导传热
一、传热三种 基本的方式
对流传热 辐射传热
1.传导传热
特点： ①微观上，物体的微观粒子不发
生宏观的相对移动，只是其热振
定义：温度不同的接触 物体间或一物体中各部
动和碰撞中发生能量传递；
②宏观上表现为热量从物体的高
分之间热能的传递过程， 温部分传导低温部分。 称为传导传热。

t
0
bt 0.698 0.64 10 t
t (t1 t 2) 2
17
3
2013年7月9日
2.算术平均法
取炉墙两表面对应温度下的热导率的算术平均值λm
t1
1
m
2

m
t2


0
b
(t1 t 2) 2

[(

0
b t1) ( 2

0
b t 2)]

1 2
温度较高的物体，当其与温度较低的物体或质点相接触时， 依靠物体中微观粒子的热振动，将其本身的部分能量传给
后者，这种定向的、有秩序地发生的热量转移过程称为
“传导传热”或简称“导热”。
2.对流传热
依靠流体微团的宏观运 动而进行的热量传递
定义：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，称为对流传热。
材料的热导率与温度关系：

t
0
bt
(1 7)
式中： 0 、 t —分别为0℃和t℃时材料的热导率； b—材料的温度系数，随材料而异
t1
特别 提示
2013年7月9日
t
(t1 t 2) 2
t tm
t2
炉墙
16
●求λt方法：
1.查表法：如教材P179附表3可查到部分材料的热导率 如：粘土砖（NZ-40)的热导率λ t=0.698+0.64×10-3t