热处理炉01传热基本原理.ppt

第一章 传热基本原理,返回总目录,授课人：杨晓敏,理解传热学中的相关概念及其相互关系;掌握多层炉壁稳定的传导传热计算方法；掌握对流传热的条件、特点、规律、影响因素及炉内传热计算中的应用；掌握辐射传热的特点；掌握炉内综合传热的计算与应用。了解金属加热计算。,教学提示：,教学要求：,研究热处理炉内传热的基本任务就是解决如何把燃料或电产生的热量有效地传递给工件和如何减少炉子的热损失问题。,第一章 传热基本原理,1-1 基本概念 1-2 传导传热 1-3 对流传热 1-4 辐射换热 1-5 综合换热 1-6 金属加热计算,第一章 传热基本原理,传导传热常称导热，指温度不同的接触的物体间或一物体中各部分之间依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。,一、传热的基本形式,11 基本概念,传导、对流、辐射,对流传热,定义：在工程上，对流传热常指流动的流体与所接触的固体壁面直接接触，当两者温度不同时，相互之间进行热量传递过程。,11 基本概念,辐射换热,定义：具有一定温度的物体以电磁波的形式不断地向外发射辐射能，当投射到与其不相接触的另一物体时，便部分地被吸收，吸收了这种电磁波的物体又将其转化为热能，这种的传热过程为辐射传热。物体的辐射换热量为该物体吸收的辐射能量与它同时向外放射的辐射能量差值。,11 基本概念,二、温度场、温度梯度,1、温度场（1）定义：传热系统或物体内部的温度随空间和时间的变化状况。,（2）不稳定传热和稳定传热,各点温度随时间的变化而变化，称为不稳定温度场。不稳定温度场内的传热过程称不稳定传热。温度不随时间变化而变化，称为稳定温度场。稳定温度场中的传热过程称为稳定传热。,11 基本概念,2、温度梯度,物体(或体系内)相邻两等温面间温度差与两等温面法线方向距离的比例极限，称为温度梯度。温度梯度实际上是指温度沿等温面法线方向的变化率。它是一个向量，并规定由低到高为正，由高到低为负。,11 基本概念,三、热流和热流密度,热流和热流密度为向量，其方向与温度梯度方向相反。,11 基本概念,单位时间由高温物体传给低温物体的热量。,单位时间单位截面的热流。,热流,热流密度,四、传热的一般方式,由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体中的过程称为传热过程。,11 基本概念,炉壁的传热,K为传热系数w/（m2.），它表示温差1，面积为1m2时，单位时间的传热量。其大小反映了传热过程进行的强烈程度。,传热方程:单位时间所传递的热量正比于冷热流体的温差及传热面积F，可用下式表示：,11 基本概念,热流密度q为：,11 基本概念,Rt为整个传热面积上的热阻；rt单位传热面积上的热阻,炉壁传热过程的热阻(等于组成该传热过程串联的各传热环节的热阻之和)内表面上的对流和辐射传热热阻，炉壁内的导热热阻和外表面上的对流、辐射传热热阻之和。,11 基本概念,炉壁的传热,一、基本方程式,法国傅里叶1822年提出在均质固体中单纯导热的基本定律：在单位时间内所传导的热量Q与温度梯度和垂直于热流方向的截面积成正比。热流朝向温度降落的方向。其数字表达式为：,12 传导传热,二、热导率,1、物理意义：热导率反映了物体导热能力的大小，物理意义：单位时间内每米长温度降低1，单位面积能传递的热流量。2、影响热导率的因素 热导率数值决定与物质内部结构和所处的状态。其中温度对材料的热导率影响很大。材料的热导率与温度的变化呈线性关系，即 在实际计算中，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均值。,12 传导传热,3、常见物质的热导率 纯金属：金属的热导率较高，与电导率成正比，最大的为银。热导率随温度的升高而降低。合金：比纯金属低。高合金钢热导率随温度升高而增加，低合金钢随温度的增加而降低。非金属的固体：除石墨外较高，其他的热导率都较低，并且热导率随温度的升高而增大。液体：热导率小于固体。除水和甘油外，液体的热导率随温度的升高而降低。气体：热导率很低，随温度的升高而增加。多孔性和纤维状的物体：有较低的热导率。,12 传导传热,例：1.耐火砖与红砖砌成的炉墙s1150mm，s2200mm，11.16w/（m.），20.7w/（m.），t1=300，t35，求该炉墙单位面积的热损失q和界面温度？,三、平壁炉墙上的导热 1、单层平壁稳定导热,图1 单层平壁炉墙的导热,12 传导传热,为常数内外表面积相等为F,三、平壁炉墙上的导热 1、单层平壁稳定导热,图1 单层平壁炉墙的导热,12 传导传热,随温度变化而改变的。,实际上平壁的内外表面积不相等，取平均面积Fm,2、多层平壁稳定导热,若各层紧密接触：第一层：第二层：第三层：,12 传导传热,n层平壁炉墙的导热公式：,3、复合多层炉墙,保温层由硅藻土砖和膨胀蛭石粉等两种材料筑成，这种炉墙称为复合多层炉墙。以复合双层为例：严格说，只要保温层中2、3材料热导率不同，它们间也将产生导热，交界面就不会是等温面。但当两种材料热导率相差不大时，交界面接近等温面，可以近似地当作单向稳态导热来处理。各层热流量：,3、复合多层炉墙,圆筒炉墙的导热,井式炉,m,图3 单层圆筒炉墙的导热,四、圆筒炉墙的导热单层圆筒炉墙的稳定导热,12 传导传热,考虑到实际炉墙的热导率随温度呈现行变化，热导率应用m代替,一、对流换热的计算（牛顿公式）牛顿公式:对流换热的传热量与流体和固体壁面间的温差和两者的接触面积F成正比，数学表达式为：,为对流换热系数W/（m2.），它表示流体与固体表面之间的温度差为1时，每秒钟通过1 m2面积所传递的热量。,13 对流换热,二、影响对流换热的因素 1、流体流动的动力,2、流体的流动状态,3、流体的物理性质,4、换热面的几何因素,13 对流换热,13 对流换热,流体流动可分为自然对流和强制流动(或强迫流动)。自然对流换热的换热系数值较小，其换热系数的计算和分析主要依据流体和壁面之间的温度差t。强迫对流换热的换热系数值大于自然对流，其换热系数的计算和分析主要依据流体的流速V。,1、流体流动的动力,箱式电阻炉内的自然对流,自然对流：流体在固体界面处被加热或冷却时，其自身各部分因密度不同而发生的相对升沉作用，使流体发生自然对流。在这种状态下的换热称为自然对流换热。,强制对流：流体受外力作用（泵或风机）发生强迫流动，其流速和分子质点运动的剧烈程度都远大于自然对流。在这种状态下的换热称强制对流换热。,井式渗碳炉气流状态,13 对流换热,流体的流动状态分为层流和紊流；如图：紊流时的对流换热系数比层流时要大得多；传热的快慢主要受层流底层的控制，层流底层厚度层越小，紊流程度越大。即增强流体的紊 流程度，将减薄层流底层的厚度，从而提高对流换热系数。,2、流体的流动状态,2、流体的流动形态,13 对流换热,层流：流体质点都平行于固体表面流动。各流层之间流体质点互不干扰混合，沿壁面法线方向的热量传递只能依靠层与层之间分子接触的导热。,紊流：流体质点不仅沿前进方向流动，而且还向气体方向作不规则的曲线运动。在紧靠固体表面的薄层仍为层流，即层流底层，在此层内依靠流体分子导热传递。层流底层以外，热量的传递主要靠流体质点的急剧混合作用。,2、流体的流动形态,层流和紊流可用一个无量纲数，即雷诺准数（Re）来判别。当流体在光滑圆管中流动时，Re小于2100为层流，Re大于2300为紊流，而Re在21002300之间时，可能为层流，也可能为紊流。,当量直径d=4F/SS:通道横截面周长F通道横截面面积,13 对流换热,（a）(b)图1 流体的层流和紊流,稳定层流在管道截面上的速度分布呈抛物线状，截面上的平均速度一般取最大速度的50%。,管道截面上的速度靠近壁面处变化最大，而在离流动壁面稍远处的紊流核心流速呈对数分布，速度变化小。紊流越剧烈，速度越接近一致。,2、流体的流动形态,13 对流换热,流体的、热导率、比热容C和粘度等物理性质直接影响流体流动的形态、层流底层厚度和导热性能等，从而影响对流换热系数。,3、流体的物理性质,2、流体的流动形态,13 对流换热,4、换热面的几何因素,三、热处理炉内的对流换热,热处理炉内，根据流体的运动状态，可分为三种情况：自然对流状态在无风机的电阻炉中，炉气常呈自然对流 状态。强迫对流炉气呈紊流状态强迫流动电阻炉内和燃料炉排 烟道内炉气一般呈紊流状态。强迫对流炉气呈层流状态直通式燃料炉，当炉气流速很 小时，炉气一般呈层流状态。,13 对流换热,几种不同条件的对流换热系数的计算公式：,t1为炉墙、炉顶或炉底的外表面温度。t2为车间温度A为系数。炉顶A=3.26；侧墙A=2.56；架空炉底A=1.63,W/（m2.）,13 对流换热,1、自然对流时的对流换热系数（炉墙、炉顶和架空炉底与 车间空气间的对流均属于自然对流换热）,13 对流换热,自然对流过程：温度升高上浮外层补充换热系数变化：较大减小增大稳定,13 对流换热,炉顶自然对流,13 对流换热,架空炉底的自然对流,（1）炉气在管道内作紊流流动时的对流换热系数,vt炉气的实际流速；d通道的当量直径(m)；Z炉气温度系数；KL通道长度L与d比值的系数；KH2O炉气中水蒸气含量的系数。,13 对流换热,2、强制对流时的对流换热系数,（2）、气流在通道内层流流动时 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，而与炉气的流速无关，其对流换热系数可用下述近似公式计算：,炉气的热导率W/（m.）d通道的当量直径(m)。,13 对流换热,（3）气流沿平面强制流动时,表l 对流换热系数计算,v0为标准状态下的气流速度，若气流温度不是标准状态下的要换算成状态下。,13 对流换热,（4）气流沿长形工件强制流动时的对流换热系数,vt炉膛内循环空气的实际流速。K取决于炉温的系数。,13 对流换热,例：设有一台空气循环电炉，循环空气温度500,炉内加热金属板，面积为1m2，求当循环空气的实际流速分别为5、10和20m/s，金属板温度为100时的对流换热热流密度。,四、强化炉内对流换热的途径1、提高流体速度2、加大换热温差 3、增大换热面积,13 对流换热,1、热射线：从理论上讲，物体热辐射的电磁波波长可以包括0整个波段范围，不同波长的电磁波投射到物体时，可产生不同的效应，其中可见光和红外线的电磁波被物体吸收后能显著变为热能而使物体加热，因而称为热射线。物体间通过热射线在空间传递热能的过程叫辐射换热。,一、基本概念,14 辐射换热,一、基本概念,图l 辐射能的吸收、反射和透射,2、绝对黑体的概念当能量为Q的一束热射线投射到物体上，如图1所示：,A+R+D=1,14 辐射换热,QA+QR+QD=Q,A=1时，辐射能全部被物体吸收，这种物体叫“绝对黑体“简称“黑体”。它是一切物体中吸收能力最强一种理想物体。R=1时，投射辐射能全部被反射，且呈漫反射状态（即向各方向反射），则该物体被称为“绝对白体”，简称“白体”。D=1时，辐射能全部透过，则该物体被称为“绝对透过 体”。它们都是假定的理想物体.实际数值A、R、D小于1。,14 辐射换热,A+R+D=1,一般固体、液体，对热射线都不能透过，除了反射一部分外，其余部分则在它们的表面薄层内被全部吸收。D0，A+R=1。气体不能反射热射线，R=0，A+D=1。同元素的双原子气体（氧、氮等）、纯净空气对热射线是近似D=1的透过体。含水蒸气、CO2 为半透热体。,14 辐射换热,图2 人工黑体模型,3、人工黑体模型 自然界并不存在绝对的黑体，但是可以用人工方法制作绝对黑体模型。如图2所示：,14 辐射换热,小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔就越接近黑体。例：小孔面积为空腔内壁面积0.6，内壁的吸收率为0.8时，小孔的吸收率大于0.998，接近黑体。,14 辐射换热,绝对黑体不但是一种理想的吸收热射线的物体，而且亦是辐射能力最强的理想辐射体，任何物体对热射线的辐射和吸收能力都小于绝对黑体。,二、黑体辐射基本定律1、黑体的单色辐射力I0（1）定义：是指在单位时间内单位面积的黑体表面向半球空间所有方向发射的某一特定波长的辐射能。（2）普朗克定律：1900年 普朗克导出了黑体在不同温度下单色辐射力I0随波长的分布规律。数学表达式：,14 辐射换热,（1）黑体在每一个温度下，都可辐射出波长从0到各种射线，当=0或时，I0趋近于0。（2）一定温度下，I 0随连续变化，有以最大值。（3）随温度升高，向短波方向移动。,2、黑体的总辐射力E0（1）定义：是指在一定温度下，黑体单位面积上在单位时间内发射出各种波长（0-）的辐射能量的总和。,（2）斯蒂芬波尔兹曼定律（辐射四次方定律）：,C0黑体的辐射系数，其值为5.675W/（m2.K4）。,14 辐射换热,3、实际物体和灰体的辐射和吸收（1）实际物体和灰体的辐射和吸收特性吸收率：对投射其上的辐射能够全部吸收，吸收率 为1，不随波长和温度影响。辐射能：辐射波谱连续，辐射能仅为温度的函数。,14 辐射换热,黑体：,实际物体对辐射能的吸收率随物体的结构和表面状态而异，如表面粗糙度或表面有氧化膜的物体具有很高的吸收率，而高度抛光的金属表面吸收率则很小。实际物体对辐射能的吸收率也随温度而异。各种物体的吸收率随温度的变化规律也不相同，大部分金属材料的吸收率随温度升高而稍有升高，而大部分的耐火或保温材料的吸收率却随温度升高而下降。实际物体的单色吸收率随波长而异，就是说物体对不同波长的辐射能有不同的吸收率。辐射和吸收光谱通常是不规则。辐射和吸收对波长具有选择性，选择性最大的是气体，最弱的是电解质。由此可见，实际物体的辐射规律不同程度地偏离黑体的辐射定律。,14 辐射换热,（2）黑度与灰体概念 实际物体的黑度：实际物体的辐射力E和同一温度下黑体的辐射力E0之比值称为实际物体的黑度或辐射率，黑度表示实际物体的辐射能力接近于黑体的程度。黑体 1，实际物体 1。,14 辐射换热,（2）黑度与灰体概念 灰体：为了寻求实际物体与黑体辐射的关系，使其能应用黑体辐射的定律。提出了一个“绝对灰体”，简称“灰体”。假设灰体辐射波谱如同黑体一样也是连续的，光谱曲线也与黑体相似，灰体的单色辐射力I与同一温度下的黑体单色辐射力I0之比为一定值，与波长无关，即，,为灰体的单色黑度，或单色辐射率。,定值1,14 辐射换热,14 辐射换热,图4 黑体、灰体和实际物体的单色辐射力,黑体1,单色辐射力I,灰体为小于1的常数,实际物体,14 辐射换热,灰体黑度与灰体单色黑度的关系：,14 辐射换热,黑度与单色黑度的关系：,灰体的辐射力：,其中C为灰体的辐射系数W/（m2.K4），C=C0。工程上为了计算方便，都把实际物体看作灰体，运用灰体的辐射公式进行计算。,14 辐射换热,图5 平衡黑面与灰面间的辐射热交换,（3）、灰体的吸收率与黑度的关系（克希荷夫定律）,物体的辐射和吸收，是物体同一性质的两种表面形式。T1T2 体系处于平衡状态，F1面的热支出等于热收入，热平衡方程为：E0A1=E01 A1为吸收率。所以A1=1 克希荷夫定律数学表达式。表明：(1)吸收率大的物质，其辐射率也大。(2)在同一温度下，任何物体辐射力都小于黑体。,14 辐射换热,黑体,灰体,三、两物体间的辐射热交换1、有效辐射 表示单位时间内由物体单位面积上放射出的能量，即物体本身辐射和反射的能量之和。,14 辐射换热,2、角度系数,（1）定义：12为物体1对物体2的角度系数，它表示1辐射出去的辐射能实际投射到物体2表面上的百分数。,（2）影响因素：与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，与它们的温度、黑度无关。对于任意放置的两黑体表面，它们各自投射到对方表面上的辐射能分别为 和平衡时：若黑体表面温度完全相等，则有,14 辐射换热,（3）常见的封闭体系内角度系数值：,（a）（b）(c)（a）（b）(c),14 辐射换热,3、任意放置的两表面组成的封闭体系内的辐射换热,14 辐射换热,对于平行放置的两黑体：,3、任意放置的两表面组成的封闭体系内的辐射换热对于灰体：F1和F2 F1有效辐射：F2有效辐射：分别投射在F1和F2的部分各自为,14 辐射换热,对于灰体：,若温度T1T2，则F1面净失的辐射热设为Q1（），F2面将净得的辐射热为Q2（）。根据有效辐射J和投射辐射G的定义和,推导：1、无限大的灰体平行放置的平面。2、一物体被另一物体包围，且面 积远小于包围物时的辐射换热,14 辐射换热,14 辐射换热,考虑角度系数：对于一物体被另一物体包围，且其面积远小于包围物时，,14 辐射换热,图6 隔热屏示意图,四、有隔热屏的辐射换热,从公式中可以看出：1、如果两个辐射面之间放置一隔板时，若导来辐射系数不变，则辐射能量可减少一半。2、放置n个隔板：,（a）（b）图7 通过孔口的热辐射（a）薄墙（b）厚墙,五、通过孔口的辐射换热1、薄墙的辐射换热,2、厚墙的辐射换热,F为开口面积，为孔口的遮蔽系数，是小于1的值。它的大小与孔口形状、大小和炉墙厚度有关，孔口越深，横截面积越小，孔口遮蔽系数值越小，遮蔽效果越好。,14 辐射换热,14 辐射换热,六、气体与固体间的辐射换热1、气体辐射和吸收的特性（1）气体的吸收和辐射能力与气体的分子结构有关。（2）气体辐射和吸收波谱不连续，具有明显的选择性。（3）气体对辐射线没反射能力，它一面透过一面吸收，在整个气体体积中进行。2、气体的辐射力和黑度 实验表明，气体的辐射力并不服从四次方定律，但为 了计算方便，仍利用四次方定律计算，而将其偏差计 人气体黑度内。气体的黑度是温度、分压、行程长度的函数。,3、火焰辐射 火焰的辐射能力随火焰的形态而异，按其性质分为暗焰和辉焰。若火焰为完全燃烧产物，其所含的辐射气体主要是H20和CO2，它们的辐射光谱没有可见光波，亮度很小，故称暗焰。暗焰黑度较小。若火焰中含有固体燃料颗粒或热分解产生的小碳粒，它们的辐射光谱是连续的，有可见光射线，亮度较大，故称为辉焰。辉焰的辐射能力远高于暗焰。,14 辐射换热,4、气体与固体壁面间的辐射换热 炉子或通道内充满具有辐射能力的气体时，气体将与周围壁面间发生辐射换热，在工程计算中，可近似地按下式计算。即,14 辐射换热,强化热处理炉内辐射换热的措施：1、提高炉温 采用热装炉，进行高温快速加热 2、提高炉内介质的黑度 提高热源、炉壁、炉气和工件等的黑度是强化炉内辐射传热的重要途径。3、增大工件受热面积和热源与炉内壁的辐射面积 合理布置工件，加大工件间距，可增大工件受热面积，缩短加热时间，但会降低装炉量，因此，生产中应注意协调两者的关系，使同时达到较高的生产率和热效率。提高炉子内壁面积，即增大它与工件受热面积的比。但炉膛过大，势必增加炉壁散热损失，故应均衡两者关系。4、减少辐射损失,14 辐射换热,一、综合传热1、炉内工件受热（对流、辐射同时存在时的传热）工件在热处理炉内加热时，热源与工件表面间不仅有辐射换热，而且还有对流换热。因而单位时间内炉膛传给工件表面的总热流量为,15 综合换热,15 综合换热,在加热过程中，工件温度随加热时间而变化，因此，近似计算加热过程中的换热量时，取平均温度Tav。,15 综合换热,例：设工件在800-900的恒温炉内加热，C导=4.2525W/（m2.K4），工件平均温度T2av=2/3T1，试求在加热过程中工件表面与炉子辐射面间的平均辐射换热系数。,中温炉辐射加热的平均辐射换热系数的计算式。,图1 平壁炉墙的综合传热过程,2、炉墙的综合传热 在炉内热流通过炉墙传到周围的空气中，这一过程包括炉气以对流和辐射方式传结内壁，内壁又以传导方式传到外壁，外壁则以对流和辐射方式传给周围的空气，如图l所示。（1）、高温气体以辐射和对流方式传给内壁的热流密度,15 综合换热,（2）、炉壁以传导方式由内壁传到外壁的热流密度,（3）、外壁以辐射和对流方式传给周围空气的热流密度,在稳定传热情况下：q1=q2=q3=q,则：,15 综合换热,3、各种炉型的综合换热（1）热处理电阻炉（2）热处理燃料炉（3）盐浴炉内的综合热交换（4）真空炉内的综合热交换（5）流动粒子炉的综合热交换,15 综合换热,（1）热处理电阻炉高温热处理电阻炉 炉温高，辐射换热系数大。工件表面获得的热量主要靠电热元件和炉壁表面的辐射热。炉气为自然对流，对流传热量很少，忽略不计。综合换热系数约等于辐射换热系数。这类炉子，工件加热速度和温度均匀型决定于热源，炉壁，工件的温度和黑度，工件表面积与炉壁表面积之比及热射线被遮蔽情况。,15 综合换热,带风机的低温热处理电阻炉 装炉量大和工件相互遮蔽辐射热的情况严重，单靠辐射和自然对流换热难于提高生产率，热效率和温度均匀性，因此要强制炉气对流，形成紊流。综合换热系数约等于对流换热系数。这类炉子的传热速度和温度均匀性主要决定于气流速度及其循环状态。,15 综合换热,中温热处理电阻炉 这类炉子一般不安装风扇，辐射换热系数比高温炉的有明显降低，但仍然相当高，仍占较大比例。综合换热系数近似等于辐射换热系数。通常只有在化学热处理中温炉中设风扇，为的是使活性介质不断冲刷工件表面和提高气氛均匀性，加速化学热处理过程，强化炉内对流换热和提高炉温均匀性。,15 综合换热,（2)热处理燃料炉 热源是流动的燃烧气体，炉气与加热工件之间，炉气与炉壁之间，炉壁与工件之间都进行着辐射和对流换热。,15 综合换热,（3）盐浴炉内的综合热交换 电极盐浴炉内：电磁力作用，驱动盐液循环流动，增强对流换热量，盐浴炉换热系数与盐液温度，用盐成分，电极分布方式和盐液流动情况等因素有关。对于中温盐浴炉，综合换热系数远高于一般电阻炉和燃料炉。,15 综合换热,（4）真空炉内的综合热交换 炉内气体非常稀薄，对流换热极小。真空炉内辐射换热规律与常压下相同，但工件表面不氧化，因而黑度较小，辐射换热量也显著减小。真空炉内工件加热主要靠电热元件和炉壁对工件的辐射，辐射换热系数常低于普通炉子。炉内工件加热速度和温度均匀性决定于电热元件、炉壁和工件温度和黑度，工件表面积与炉壁表面积之比以及热射线遮蔽的情况。,15 综合换热,（5）流动粒子炉的综合热交换 流动粒子炉的炉膛内装有石墨或氧化铝等固体粒子，压缩空气或其它高压流体经过炉底布风板吹入炉内，使粒子处于流动状态。流动粒子炉内固体粒子所处的空间称流化床。工件在流态化床的受热方式有：热气体对工件之间对流换热；流动颗粒不断冲击工件表面，进行导热；颗粒和气体与工件间的辐射换热。当炉子采用电极加热并以石墨粒作加热介质时，由于石墨粒子不断与工件接触和分离，还发生导电和微弱放电的电加热。流动粒子炉的换热系数与气流速度、颗粒尺寸等有关，粒子较细时，换热系数一般较大。工件在流动粒子炉的加热速度小于盐浴炉。,15 综合换热,16 金属加热计算,金属加热计算的主要任务是确定在不同加热条件下工件加热和均温所需的时间。金属加热的一些基本概念分析影响加热时间的因素金属加热的一些计算,一、基本概念1、金属工件加热过程 金属工件的加热过程可以从热传递和工艺操作两方面来考察。,16 金属加热计算,工件表面获得热量后，随即以导热的形式向心部传递。表面温度ts和心部温度tc都随时间变化。随着加热时间的延长，金属心部温度tc越来越接近表面温度ts和炉气温度tg，这种导热属于不稳定态导热。,（1）金属加热的热传递过程,16 金属加热计算,（2）、金属工件加热的工艺阶段金属加热阶段分为升温、均温和保温三个时间过程。,保温时间,升温时间,均温时间,16 金属加热计算,二、不稳定导热的无量纲参数1、温度数（相对温度数）,16 金属加热计算,2、时间数（傅立叶数）Fo,Fo：工件材料热扩散率a与加热时间的乘积和工件加热深度平方的比。（1)a热扩散率（2)工件加热深度 两面对称加热的大平板为其厚度的一半。圆柱体为其半径R。的真正意义应为任意形状导热物体的一种几何尺度，即物体的体积V和表面积F之比，即V/F作为加热物体的当量厚度。,16 金属加热计算,3、几何尺度数（相对加热深度）L 几何尺度数是工件加热时所研究的截面至其中心线的距离x与加热厚度的比值。,x所研究截面至其中心线的距离加热厚度。,当截面位于工件中心，x0，则L0当截面位于工件表面，x，则L 1当截面位于x处，x/可理解为相对加热深度,16 金属加热计算,4、厚薄数（比欧数）Bi,厚薄数是炉内加热介质对工件综合换热系数和工件加热深度的乘积与工件热导率的比。,16 金属加热计算,4、厚薄数（比欧数）Bi,比欧数是内部导热热阻与外部换热热阻的比。Bi值大，表示外部换热比内部导热强烈，因而工件内部温差和内应力都比较大。反之若Bi值小，则工件内部温差和内应力也会小些。Bi0.25为薄件 Bi0.25为厚件Bi在范围定为过渡区。,16 金属加热计算,厚薄件的区分与工件的尺寸，工件外部换热强度以及内部导热能力有关。厚件：加热时应保持适当的均热时间，待热量逐渐向内传递，使内外部温度趋近一致。薄件：加热时，一般不需要考虑均热时间。,16 金属加热计算,工件加热计算时要弄清被加热件内部温度分布随时间的变化规律。工件温度均匀时的加热计算（薄件加热计算）在任一瞬间加热的工件内部各点温度接近一致，内外温差很小，即相当于内热阻可忽略不计（Bi0）。极端情况在恒温介质中的工件加热计算在加热过程中介质温度一致保持恒定。工件表面温度等于常数时的加热计算 在整个导热过程中工件表面温度一直保持不变，即外热阻可以忽略的情况（Bi1）。心部的温度逐渐升高，最后趋近于表面温度。,三、金属加热时间的理论计算,16 金属加热计算,工件温度均匀时的加热计算（薄件的加热计算）,大平板薄件双面加热时截面上温度分布状况,16 金属加热计算,在炉温为tg的炉内，设加热时间为时的工件温度为t，则根据能量守恒定律，在d时间内炉介质传给工件的热量应等于工件升高dt温度所引起的自身热焓的增量,工件由温度tin升高到t时的加热时间计算：,工件经加热时后达到的温度：,例：有一直径D90mm，长度L1m的中碳钢工件，在850电阻炉内加热，求将该工件从20加热到830时所需时间。已知av=37.5W/(m.)c707J/(Kg.),对于Bi4的厚件采用,16 金属加热计算,四、钢材加热时间的经验计算1、以工件几何尺度（V/F）为计算基础的经验计算时,B为加热时间系数，表示单位几何尺度（cm）所需的加热时间。当工件成批装炉时，应再乘以装炉修正系数K，即,16 金属加热计算,不同钢在不同介质中加热时的系数B（min/cm）,装炉修正系数,16 金属加热计算,2、以工件有效厚度为计算基础的经验计算式以边长为H的正方形工件为例：,E 为加热时间系数，表示工件在其各面均受热的情况下，每毫米有效厚度的加热时间（min）。由实验确定，并受热处理工艺因素影响，在空气炉加热时，一般取0.81.2min/mm，碳素钢取下限，合金钢取上限。当考虑装料因素时，也乘以系数K，则：,式中H 为工件的有效厚度，即工件在传热最快的方向上的截面厚度。,16 金属加热计算,3、影响加热时间的因素（1）加热介质的影响（2）炉温的影响（3）工件几何尺度的影响（4）钢材成分的影响（5）热处理工艺的影响（6）装炉量和工件布置方式的影响,16 金属加热计算,（1）加热介质的影响 如直径50mm的钢件，在不同加热介质中加热到750时所需要的时间。盐浴 6.6min 火焰炉 27.0min 电阻炉 31.8min,16 金属加热计算,（2）炉温的影响 不同温度下加热直径100mm钢件时的加热系数,（3）工件几何尺度的影响 值越小，加热速度越快。,不同形状工件在不同加热状况下的值,16 金属加热计算,（4）钢材成分的影响 钢材成分不同，对工件的加热的升温，均温和保温都有明显的影响。不同成分的钢材具有不同的导热热阻和热扩散率，因而影响加热件的内外温差和内应力。一般，高碳钢和高合金钢的传热过程较慢，应采取较长的加热时间。,16 金属加热计算,（5）装炉量和工件布置方式的影响确定工件加热时间应注意乘以装炉修正系数K。,课堂作业,1.某炉壁由下列三种材料组成，内层是耐火砖，；中间是保温砖，；最外层是建筑砖，。今测得其内壁温度，外壁温度。求（1）通过炉墙单位面积的热损失。（2）各层的温差。（3）各层接触面的温度。,2、工件厚度大则是厚件，工件厚度小，则是薄件，对吗？为什么？,课堂作业答案,2、答：对薄厚件的区分不仅与工件尺寸有关，而且与工件外部换热强度和内部导热能力有密切关系。,1,