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![第3章 凝固过程的传热[23页]](https://img.taocdn.com/s1/m/0059e3a9294ac850ad02de80d4d8d15abe2300f6.png)
传热学基本概念知识点1傅里叶定律：单位时间内通过单位截面积所传递的热量，正比例于当地垂直于截面方向上的温度变化率2集总参数法：忽略物体内部导热热阻的简化分析方法3临界热通量：又称为临界热流密度，是大容器饱和沸腾中的热流密度的峰值5效能：表示换热器的实际换热效果与最大可能的换热效果之比6对流换热是怎样的过程，热量如何传递的？对流：指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递方式。
对流仅能发生在流体中，而且必然伴随有导热现象。
对流两大类：自然对流与强制对流。
影响换热系数因素：流体的物性，换热表面的形状与布置，流速7何谓膜状凝结过程，不凝结气体是如何影响凝结换热过程的？蒸汽与低于饱和温度的壁面接触时，如果凝结液体能很好的润湿壁面，它就在壁面上铺展成膜，这种凝结形式称为膜状凝结。
不凝结气体对凝结换热过程的影响：在靠近液膜表面的蒸气侧，随着蒸气的凝结，蒸气分压力减小而不凝结气体的分压力增大。
蒸气在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过聚集在界面附近的不凝结气体层。
因此，不凝结气体层的存在增加了传递过程的阻力。
8试以导热系数为定值，原来处于室温的无限大平壁因其一表面温度突然升高为某一定值而发生非稳态导热过程为例，说明过程中平壁内部温度变化的情况，着重指出几个典型阶段。
首先是平壁中紧挨高温表面部分的温度很快上升，而其余部分则仍保持原来的温度，随着时间的推移，温度上升所波及的范围不断扩大，经历了一段时间后，平壁的其他部分的温度也缓慢上升。
主要分为两个阶段：非正规状况阶段和正规状况阶段9 灰体有什么主要特征？灰体的吸收率与哪些因素有关？灰体的主要特征是光谱吸收比与波长无关。
灰体的吸收率恒等于同温度下的发射率，影响因素有：物体种类、表面温度和表面状况。
10气体与一般固体比较其辐射特性有什么主要差别？气体辐射的主要特点是：（ 1）气体辐射对波长有选择性（ 2）气体辐射和吸收是在整个容积中进行的11说明平均传热温压得意义，在纯逆流或顺流时计算方法上有什么差别？平均传热温压就是在利用传热传热方程式来计算整个传热面上的热流量时，需要用到的整个传热面积上的平均温差。
传热学基础知识
嘿，朋友们！今天咱来聊聊传热学基础知识。
传热学啊，就像是生活中的一场奇妙旅行。
你想想看，冬天的时候，为啥我们在屋里就感觉暖和，到了外面就冻得直哆嗦呢？这就是传热在起作用呀！热量从屋里的暖气啊、空调啊这些热源，传到我们身上，让我们暖洋洋的。
这就好比是一场温暖的传递，暖气是那个热情的传递者，把温暖送给我们。
再说说夏天，太阳晒得厉害，我们会觉得热得不行。
这太阳的热量可不就通过传热来到我们身边啦！就好像一个调皮的小精灵，不停地往我们身上扑。
传热的方式有好几种呢！有一种叫热传导，就像是接力赛跑一样，热量一个接一个地传递下去。
比如说，你拿着一根金属棒，一头放在火上烤，过一会儿另一头也会变热，这就是热传导在起作用呀！是不是很神奇？
还有热对流，这就像是一群小伙伴在跳舞，带着热量一起动起来。
比如烧开水的时候，水受热会翻滚，热量就跟着水一起流动啦。
再有就是热辐射啦，这可厉害咯！太阳的热量就是通过热辐射传到地球上的，不需要任何介质，直接就过来啦，就像远方的朋友给你送来温暖的问候。
咱生活中很多事情都和传热学有关系呢！比如做饭的时候，锅把热量传给食物，让食物变熟；冬天盖厚被子保暖，就是阻止热量往外跑。
传热学好比是生活的一个小秘密，了解了它，你就能更好地理解很多现象啦！你说，这传热学是不是很有趣？它无处不在，影响着我们的生活呢！所以啊，我们可得好好琢磨琢磨它，让它为我们的生活服务呀！这就是传热学，一个看似普通却又无比重要的学问！。
传热学基本知识总结传热学是研究热能在物质中传递的科学，是物体内部的热平衡和热不平衡的原因和规律的研究。
传热学的基本知识涵盖了传热的基本概念、传热方式、传热导率与传热过程的数学描述等内容。
以下是对传热学基本知识的总结。
一、传热的基本概念1.温度：物体内部分子运动的程度的度量。
温度高低决定了热能的传递方向。
2.热量：物体之间由于温度差异而传递的能量。
热量沿温度梯度从高温区向低温区传递。
3.热平衡：物体内部各点的温度相等，不存在热量传递的状态。
4.热不平衡：物体内部存在温度差异，热量从高温区传递到低温区。
二、传热方式1.热传导：固体内部的分子传递热量的方式，通过分子的碰撞传递热量。
2.对流传热：液体或气体中，由于温度差异而产生的流动传递热量的方式。
3.辐射传热：热能通过电磁波的传播传递热量的方式，无需介质参与。
三、热导率热导率是物体传导热量的能力，用导热系数λ来衡量。
热导率取决于物质本身的性质，与物质的材料、温度有关。
热导率越大，物体传热能力越强。
四、传热数学描述1.热量传递方程：描述物体内部传热过程的数学方程，根据物体内部各点之间的温度差和传热方式的不同可以分为热传导方程、热对流方程和热辐射方程。
2.热导率公式：用来计算物体传热量的数学公式，通常与热导率、温度差、传热面积等物理量相关。
五、传热实例1.热传导：例如铁棒的两端被加热，热量通过铁棒内部分子的传递向另一端传递。
2.对流传热：例如空气中的对流传热，空气受热后变热上升，形成了对流传热。
3.辐射传热：太阳的辐射热量通过空间传递到地球表面，为地球提供能量。
在工程中，传热学常常运用于热工系统的设计和优化。
工程师可以通过对传热方式的研究和对材料热导率的了解，提高传热效率，减少能量损耗。
例如，在电子设备的设计中，通过优化散热结构和选择高热导率的材料，可以有效降低设备的温度，提高设备的工作效率和寿命。
传热学也广泛应用于暖通空调系统、汽车引擎、核反应堆等领域。
第五章凝固的传热学基础液态金属成型原理0、概论1、液态金属的结构和性质2、凝固的热力学基础3、界面4、凝固的结晶学基础5、凝固的传热学基础6、凝固过程的流体流动7、凝固金属的组织结构8、凝固过程的缺陷和对策第五章凝固的传热学基础2第五章凝固的传热学基础Heat Transfer in Solidification3第五章凝固的传热学基础凝固过程是一个温度降低、热量散失的传热过程。
凝固传热要解决的主要问题是凝固过程温度场及其变化。
凝固潜热散失速度和金属内部的温度场决定了凝固速度、进程和组织。
目前凝固传热是研究凝固理论的一个重要分支。
4第五章凝固的传热学基础第一节温度场及其确定方法第二节糊状区第三节铸件的凝固时间第五章凝固的传热学基础一、凝固传热的基本形式：稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：()t z y x f T ,,,=()z y x f T ,,=28601.3E21.4E26第五章凝固的传热学基础二、凝固动态曲线7第五章凝固的传热学基础二、凝固动态曲线8第五章凝固的传热学基础二、凝固动态曲线9第五章凝固的传热学基础二、凝固动态曲线10第五章凝固的传热学基础三、铸型导热的基本类型铸件/铸型换热系统5个区域:¾1-液区；¾2-液固并存区；¾3-固态区；¾4-中间层-涂料，保护渣或气隙；¾5-铸型；不稳定温度场-各点温度随时间变化;11第五章凝固的传热学基础A.铸件-非金属型换热系统图示τ瞬间的温度分布12第五章凝固的传热学基础铸件-非金属型换热特点zλ-导热系数，单位温度梯度时的热流密度，W/m •ºC;z λ2/ λ1<<1；铸件断面内G 很小，温差很小，冷却缓慢；铸型则相反；z中间层极薄，性质与非金属铸型相近似；可以忽略；z 非金属铸型是换热的控制因素。
13第五章凝固的传热学基础B.铸件-金属型换热系统14第五章凝固的传热学基础铸件-金属型换热系统金属型换热系统特点zλ3<< λ1, λ3<< λ2 ;z铸件、铸型断面内G都很小；可以忽略其温差；z中间层极薄，性质与非金属铸型相近似，是换热的控制因素。
15第五章凝固的传热学基础例:连铸结晶器过程（相当于水冷金属型）传热过程、温度分布和控制措施分析：（1）传热现象（2）温度分布铸坯与结晶器之间气隙热阻最大。
（3）解决办法：改变中间层（气隙）厚度。
16第五章凝固的传热学基础一、凝固传热的基本形式二、凝固动态曲线三、铸型导热的基本类型四、四、温度场的影响因素五、温度场的确定第一节温度场及其确定方法17第五章凝固的传热学基础A. 金属铸件的性质 金属的导热系数——金属的导热系数大，铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度就小，即断面上的温度分布较平坦。
结晶潜热——金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间则要长，铸型内表面被加热的温度也越高，因此铸件断面上的温度梯度较小，铸件冷却速度下降，温度场分布较平坦。
四、铸件温度场的影响因素18第五章凝固的传热学基础 B. 铸型性质铸型的蓄热系数——铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大，铸件的温度梯度就越大。
铸型的预热温度——铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也就越小。
四、铸件温度场的影响因素19第五章凝固的传热学基础C．浇注条件的影响浇注温度：过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于铸型预热温度越高。
铸件内的温度场越平坦。
四、铸件温度场的影响因素D．铸件结构的影响铸件的壁厚——厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸件内温度场均匀。
铸件的形状——铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。
20第五章凝固的传热学基础一、凝固传热的基本形式二、凝固动态曲线三、铸型导热的基本类型四、四、温度场的影响因素五、温度场的确定第一节温度场及其确定方法21第五章凝固的传热学基础A.测温方法z 使用热电偶或热电阻作测温元件。
例1.大型螺旋桨测温点分布22第五章凝固的传热学基础例2:连铸结晶器测温z 不能在铸件重要部位安装热电偶，测温点有限。
z测量复杂、费用成本高，工作量大。
局限24第五章凝固的传热学基础B.凝固温度场的计算方法解析法：解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。
数值模拟：用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解），又称为计算机模拟、数值分析法。
常用的数值计算方法有：有限差分法、有限元法、边界元法。
25第五章凝固的传热学基础第一节温度场及其确定方法第二节糊状区第三节铸件的凝固时间第五章凝固的传热学基础固相区固-液固液相区液-固液相区凝固区域结构示意图26第五章凝固的传热学基础27第五章凝固的传热学基础合金结晶温度区间28第五章凝固的传热学基础合金结晶温度区间29第五章凝固的传热学基础温度梯度G 对凝固方式的影响:G大→两相区窄G 小→两相区宽实际铸件凝固中的温度梯度受很多因素影响, 包括铸件金属的导热性能、预热温度、合金的浇注温度等。
温度梯度的影响逐层凝固中间凝固温度梯度陡31第五章凝固的传热学基础不同碳钢的动态凝固曲线32第五章凝固的传热学基础铝合金的动态凝固曲线——99%Al △T c =6℃33第五章凝固的传热学基础凝固终了对合面部位的缩孔和疏松34第五章凝固的传热学基础Al-10%Cu 合金凝固枝晶间的疏松35第五章凝固的传热学基础 纯金属,共晶合金和低碳钢等窄结晶范围合金通常以逐层方式凝固；高碳钢,锡青铜,铝合金等宽结晶范围的合金通常以糊状方式凝固；铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大，从而影响最终铸件的致密性和热裂纹产生几率。
36第五章凝固的传热学基础第一节温度场及其确定方法第二节糊状区第三节铸件的凝固时间第五章凝固的传热学基础37第五章凝固的传热学基础第三节铸件的凝固时间 铸件的凝固时间：是从液态合金充满铸型后至凝固完毕所需的时间,； 单位时间内凝固层增长的厚度为凝固速度，cm/s 。
铸件凝固时间是制订生产工艺、获得稳定铸件质量的重要依据 测温、数值模拟38第五章凝固的传热学基础一、实验方法——倾出法z 测定凝固厚度和时间的关系，来确定凝固时间，估计凝固速度。
z以逐层方式凝固z 可以倾出t = 10min t = 20min t = 30mint = 40min t = 50min t = 60min39第五章凝固的传热学基础二、快速计算方法z通过测温和数值计算法确定凝固时间；z 根据“当量厚度”(Chvorinov )法则快速地近似计算凝固时间，这是经验方法。
40第五章凝固的传热学基础A. Chvorinov 法则的实验根据¾1. 10x400x400mm 板¾5. 30x400x400mm 板¾6. 50x400x400mm 板¾7. 直径153mm 球¾8. 直径150x800mm 圆柱¾9. 直径229mm 球¾10. 直径200x800mm 圆柱¾13. 直径400x800mm 圆柱¾16. 350x1800x2400mm 板¾19. 65吨机座板τ--凝固时间，K—z无论铸件重量如何，只要z柱体和球相当精确；一般铸件最大误差为z可以根据需要，计算铸件的某一部分；根据：则：τ球> ττK R =DA C44第五章凝固的传热学基础 例3：砂型铸造圆柱形铸钢件（单位为mm ）。
根据工艺需要加设冒口。
如凝固系数为0.9cm/min 1/2，分别估算计算和不计算冒口时，铸件凝固完毕所需的时间。
[解] 根据Chvorinov 法则，τ= （V/S ）2/K 2，不计算冒口时：V =50 π(25) 2/4=24544cm 3,散热面积S = 2π(25/2)50 +π(25/2) 2= 4418 cm2,V/S = 5.6cm;故τ= （V/S ）2/K 2= (5.6/0.9) 2 = 38.7 min.45第五章凝固的传热学基础 例3：砂型铸造圆柱形铸钢件（单位为mm ）。
根据工艺需要加设冒口。
如凝固系数为0.9cm/min 1/2，分别估算计算和不计算冒口时，铸件凝固完毕所需的时间。
[解] 根据Chvorinov 法则，τ= （V/S ）2/K 2，计算冒口时：V =50 π(25) 2/4+35π(152+12.52+15x12.5)/3=45390cm3,散热面积S = 2π(25/2)50 +π(25/2) 2+π[(15-12.5) 2+352] 1/2(15+12.5)= 7449 cm 2,V/S = 6.09cm;故τ= （V/S ）2/K 2= (6.09/0.9) 2= 45.8 min.46第五章凝固的传热学基础第5章内容小结z凝固过程传热特点和控制因素z铸件温度场的影响因素z糊状区、铸件的凝固方式及其影响因素z 凝固时间和计算方法，要求掌握折算厚度法则（Chvorinov 法则）第五章凝固的传热学基础47第五章结束！。
