传热基本原理

定义：
物体间通过辐 射能进行的热 能传递过程， 称为辐射传热
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; ③辐射体之间能同时向对方辐射能量和吸收对方投射来
的辐射能量; ④ “对等性”：A B
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。
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
2014年2月24日
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第一章 传热基本原理
§1-1 基本概念
一、传热三种 基本的方式
传导传热 对流传热 辐射传热
1.传导传热
定义：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，称为传导传热。
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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 λ1
λm
λ2 t 2
t t λ t λ t =
( + ) [( +b 1 2 =
+b )+(
0
1
+b
0
)]
2
=
λ1
+
λ2
λ λ m
0
2
2
2
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物态与热导率关系
固体＞液体＞气体
固体 液体
银420、紫铜391、铝230、青铜189、纯 铁73、高碳钢45.2、石棉0.15 、玻璃 1.09、混凝土 1.28、花岗石 2.68～3.35
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t
s 第
一
q1 = t1 − t 2
层
1
λ1
s 第
二
q2 = t2 − t3
层
2
λ2
t1
t2
t3
第 三 层
s q 3 = t 3 − t 4 3 λ3
由于 q = q1 = q2 = q3
q s1 s2
总热流密度表达式
0
t4
s3
x
q=
t1 − t4
(W / m 2 )
s1 + s2 + s3
λ1 λ2 λ3
30
5
同理， A级硅藻土砖平均热导率为
t 2p
=
t2
+ 2
t3
=
720 + 50 2
=
385� C
λ2p = 0.1+ 0.23×10−3 × t 2p
= 0.1+ 0.23×10−3 × 385
= 0.188[w /(m •� C)]
q = t1 − t3 = 950 − 50 = 620(W / m2 ) S1 + S2 0.115 − 0.230 λ1p λ2p 0.507 0.188
t = (t1 + t 2) 2
t1 t = tm
t2
炉墙
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●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λt=0.698+0.64×10-3t
λ λ = + bt = 0.698 + 0.64×10−3 t
t
0
t = (t1 + t 2) 2
t2
Q r2 dr
∫ ∫ − dt = −
t1
2πλL r1 r
t1
−
t2
=
Q 2πλL
ln
r2 r1
t
t1
r1
t2
r
L
r2
x
t t 2πL( − )
Q=
1 2 (W )
r 1 ln 2
λ r1
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dr
图1-5单层圆筒壁炉墙导热
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t t 2πL( − )
Q=
12
r 1 ln 2
λ r1
dt Q = qF = −λ F
dn
(W ) 或 (J / S)
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 dn
—温度梯度，（℃/m）
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物理意义
二.热导率（λ）
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。
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(1 − 12 )
图1-2多层平 壁炉墙导热
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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
Q= 1
t1 − t2 s1
λ1F 1
Q = t2 − t3 + t2 — t3
2
s s 2
2
λ2F 2 λ3F3
ⅠⅡ
t1
t2
Ⅲ
2 3
Q=Q =Q
1
2
Q=
t1 − t3
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。
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 ， 属于单向传热。
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。
1
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,τ )
∆t = 0 ∆τ
稳定传热 （保温期）
∆t ≠ 0 不稳定传热 （升温或降温） ∆τ
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2、温度梯度： gradt = lim ∆t = ∂t （℃/m) ∆n→0 ∆n ∂n
q = Q = −λ dt F dx
t2
sq
−
∫
t1
dt
=∫
0
λ
dx
q
- dt = dx λ
t
t1
S
q t1 − t2 = q × λ
q = t1 − t2 s
(W / m2)
λ
Q = qF = t1 − t2 s
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λF
(1− 8) (W )
0 (1− 9)
热导率 λ恒定
t2
dx
s 单层平壁 炉墙导热
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:
λ1p = 0.29 + 0.26 ×10−3 × t1p = 0.29 + 0.26 ×10−3 × 835 = 0.507[w /(m •� C)]
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t1p
=
t1
+ t2 2
=
950 + 720 2
= 835� C
Q
=
λ s
•
F2
ln
−F F2
1
•
(t1
−
t
)
2
F1
Q
=
2πL(r2 − r1)
(r
2
−
r1)
1 λ
ln
r2 r1
(t1
−
t
)
2
Q
=
(r
2
λ −
r1)
2πL(r2 − r1) ln 2πLr2
(t1
−
t
)
2
2πLr1
t t 令 F 2 − F1 = F ln F 2 F1
λF
Q= •( − )
s
12
=0.698+0.64×10-3t，把tp=550℃代入t得：λ =0.698+0.00064×550=1.056[w/(m ℃)]
q = 1000 −100 = 2684.7w / m2 0.345
答：炉侧墙散热量 为2684.7W/m2
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1.056
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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950℃，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—物体相邻两等温面间的温度差 Δn—两等温面法线方向的距离
实质上指温度沿等温面法线 方向的变化率。对于温度只 在x方向有变化的单向稳定态 温度场，温度梯度的数学表达式为： gradt = dt
dx
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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）
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s 为单位面积 的平壁热阻
λ
s
是面积为F
λF
的平壁热阻
F的取值：
当 F 2 ≤ 2时 F1
当 F 2 ＞2时 F1
F ≈ F1+ F2 2
F ≈ F1F 2
(m2 ) (m2 )
(1 − 10) (1 − 11)
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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
W18Cr4V 9CrSi 铜 黄铜 青铜 铝
λ(W/m.℃)
73.3 46.9 51.9 51.9 45.2 48.6 17.6（200℃） 13.0 24.3 43.1 391（20℃） 102（20℃） 47.7 202（20℃）
名称
二、液体 汽油 煤油 重油 三、气体 空气 氮气 氧气 氢气 水蒸气
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 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 温部分传导低温部分,既单向传 热。
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”。
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Q = t1 −t2
s λF
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单层圆桶炉墙的稳定导热热流计算公式
Q = t1 − t2 s λF
(W )(1−18)
F1 F 2 分别是圆筒炉墙内、外表面积
F = F2− F1 ln F 2
是圆筒炉墙对数平均面积
F1
r2 ≤ 2
可用算术平均面积代 替对数平均面积
r1
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t
解：由公式可知，两层平壁 t1 = 950°C
炉墙的传导热流密度q为：
t2
q = t1 − t3 s1 + s2 λ1 λ2
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(W / m2)
q
50°C
0.115 0.230
0 双层平壁炉墙导热 29 x
式中： t1 − t3 = 950 − 50 = 900� C S1 = 0.115m，S2 = 0.23m
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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 = t1 − t2 s
已知t1=1000℃,
λ
t2=100℃,S=0.345m
炉墙平 均温度
tp
=
1000 +100 2
=
550� C
查教材P179附表3，得粘土砖的平均热导率λ
s1 +
s2
λ1F1 λ2F 2+λ3F 3
1
t3
Q
(W )
s1 s2
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t
2 = t1
−
Q
λ
s1 1F
1
(° C )
图1-4复合多层 平壁炉墙导热
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4
Q = qF = −λ dt F = −λ dt 2πrL
dr
dr
四、圆筒炉墙的导热
1、单层圆桶炉墙的稳定导热
− dt = Q dr 2πλL r
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。
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2
材料的热导率与温度关系：
λt = λ0 ± bt (1− 7)
λ 式中：λ0 、 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
特别 提示
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18
3
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？
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。
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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
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验算中间温度
t2
=
t1
− q × S1 λ1
0.115 = 950 − 620×
0.507
≈ 810� C
810 − 720 ×100% ≈ 11%(≻ 5%) 误差太大，需要重
810
新假设中间温度
这时再设t2=810℃
t1p
=
t1 + t2 2
=
950 + 810 2
= 880� C
热导率 t λ恒定
t1
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）
t2
dx
（若平壁面积是厚度的8～10倍时，可忽略端 0
s
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。
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百度文库
平壁炉墙上的导热计算公式
表达式为
Q = q•F
2014年2月24日
焦耳/秒 (J / s)
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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
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§1-2 传导传热
一.传导传热表达式
q = Q = −λ dt F dn
(W /m2 )
(1− 6)
CO2
λ(W/m.℃)
0.15 0.12 0.12（25℃）
0.0236 0.0243 0.0232 0.1744 0.0156 0.0140
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●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
★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）
热导率 0.07～0.7：汽油0.15、煤油0.12
气体
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热导率为0.006～0.6：水蒸汽 0.025、空 气0.0236、氮气0.0243、氧气0.0232、 氢气0.1744
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常见的金属、液体、气体0 ℃时的热导率
名称
1 、金属材料 纯铁 灰铸铁 低碳钢 中碳钢 高碳钢
40Cr 不锈钢 高锰钢