硅酸盐热工基础课件传热原理

总 之
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热工基础—4 传热过程
4.1.4.2 等温面与等温线 等温面：同一时刻，温度场中所有温度相同的点所构成的面 等温线：不同等温面与同一个平面相交的交线。
等温面
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等温线 返回
热工基础—4 传热过程
4.1.4.3 温度梯度 温度梯度：表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率。
对流传热根据流动原因不同：
① 自然对流传热：如暖气片附近空气
② 强制对流传热：外界机械作用引起对流
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热工基础—4 传热过程
4.1.1.3 辐射传热 定义：是一种以电磁波的形式来传递能量的过程。 特点：传递过程不需要任何介质。
例如：火焰的炙烤，太阳的照射。 例如：火焰的炙烤，太阳的照射。
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热工基础—4 传热过程
4.1.1.2 对流传热 定义：流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。 特点：流体内部发生相对移动。
在硅酸盐工业中对流传热指：由流体传到固体壁面或相反的过程。 ① 在硅酸盐工业中对流传热指：由流体传到固体壁面或相反的过程。 多数情况下对流传热与热传导并存。 ② 多数情况下对流传热与热传导并存。
△t —冷热物体的温度差 ， ℃；
K —传热系数 ， W/(m2·℃)； ℃
热流量：单位时间通过单位面积所传的热量
Q q = = K ∆t F
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……(4-2)
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热工基础—4 传热过程
4.1.3 热阻
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意义：表示流体的物性参数。 意义：表示流体的物性参数。
努谢特准数： 努谢特准数： Nu = αl = λ λ 1 α 意义:传导热阻与对流热阻之比 意义 传导热阻与对流热阻之比
l
1
4.3.5对流换热准数方程 对流换热准数方程
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
１．因次分析法 因次和谐性： 因次和谐性：物理方程所包含各项在因次上一致。 基本物理量： 个基本物理量： 基本物理量：国际单位制中7个基本物理量： 个基本物理量 长度（L）、温度（θ）、质量（M）、时间（τ）、量（mol)、 L 电流（A）、埃得拉（(ed) ２．对流换热准数方程 α=f(Φ,l1,l2,l3,Λ,u,tw,tf) 即 或： Nu=AReaPrbGrc Nu=f(Re,Pr,Gr)
Nu = l
计算а
（３）利用牛顿冷却定律计算q
２．常见情况下的对流换热计算 （1） 强制对流 ） 1)流体在圆管内紊流流动
N u f = 0.023Re0f.8 Prn f
适用条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
l Re f = 10 4 ～1.2 × 10 5 ，Pr f = 0.7～120， > 60 d
1
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
２．定性温度和定性尺寸 （１）定性温度：决定准数中物理参数值的温度。 定性温度：决定准数中物理参数值的温度。 常用定性温度: 常用定性温度
流体与 固体壁平均温度； 固体壁面温度; 流体平均温度.
（２）定性尺寸：对流体流动有决定意义的壁面与流体接触 定性尺寸： 的几何尺寸。 的几何尺寸。 常见定性尺寸： 常见定性尺寸：
3)流体掠过平板紊流流动 )
N um = (0.037 Rem

由于换热是在内管内表面，所以定性尺寸选内管内径 d = 25mm-2×2.5mm = 20mm = 0.02m
所以
Re
dw
0.02 997 0.4 90.27 105
8836
过渡流
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= 997kg/m3 25mm 89mm
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热工基础—4 传热过程
校正系数
Prf Prw
0.11
修正系数。
……(4-55)
适用条件： 2300 Re f 104;
1.5 Prf 500,
0.05 Prf 20 Prw
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热工基础—4 传热过程
(4) 流体掠过平板湍流流动
计算公式为：
Num
(0.037
Re
0.8 m
0.023 d
wd
0.8
cp 0.4
… …
※(4-50)
※
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热工基础—4 传热过程
0.023
d
wd
0.8
cp
0.4
…… ※(4-49) ※
定性条件：定性温度为流体平均温度，定性尺寸为管子内径。
适用条件：
① 湍流区 Ref > 104 。 过渡区需乘以校正系数 f
13 :
2030
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不适合长管
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热工基础—4 传热过程
(3) 流体在圆管内过渡流流动 ① 对气体
计算公式为：
Nu f
0.0214(Re0f.8

对流传热
综合传热
课件目录
教案
1
4.4.2热辐射的基本定律
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
4.4.2.1普朗克辐射定律
（1）辐射能力和辐射强度
物体每单位表面积，在单体时 间内向半球空间辐射出去的波 长从0～∞范围内的总能量 符号：“E”
辐射能力
单位：W/m2
辐射强度
物体每单位表面积，在单体时 间内向半球空间辐射出去的波 长从λ～dλ范围内的辐射能力为 dE，dE与波长间隔的比值
因为管道表面积F1相对于厂房面积F2来说是很小
F1 0 F2
ε
12≈ε 1
12 1
T 4 T T T Qnet ,12 12 C0 [( 1 ) 4 ( 2 ) 4 ] 1 F1C0 [( 1 ) 4 ( ) ]F1 100 100 100 100
T T ql 1C 0 [( 1 ) 4 ( 2 ) 4 ]d 100 100
4.4辐射传热 硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
4.4.1辐射传热的基本概念
4.4.1.1辐射传热的本质和特点
辐射
物体以电磁波的方式向外传递能量的过程
电磁波谱
对流传热
综合传热
课件目录
教案
1
硅 酸 盐 工 业 热 工 基 础
热辐射 热射线 辐射传热
由于热的原因而发生的辐射
取决于温度
能被物体吸收并转变成热能的部分电磁波 物体之间相互辐射和吸收热过程的总效果
空间热阻
1 12 F1
黑休辐射传热 的电热网络图
E01 E02
对流传热
综合传热
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教案
1
4.4.3.3灰体间的辐射传热

1200 K
1400 K
λ
0
1
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2
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3
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4
5
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6
(µm)
热工基础—4 传热过程
对 λ ~ Eλ 曲线的讨论： (1) 某一波长的单色辐射能力随温度升高而增大；
(2) 在某一温度下，其辐射能力随波长而变化： λ＝0，Eλ，0＝0；λ↑，Eλ，0↑； 达到最高值后，λ↑，Eλ，0↓。 (3) 温度愈高，最大辐射强度的波长愈短
A0 , E0 , T0
E0(1-A1) E0(1-A1)
E0A1
对于任意物体，发射与吸收的能力差额为
q = E1 − A1 E0
当两壁的辐射达到平衡时，物体吸收与发射的能量相等
E1 = A1 E0
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E1 = E0 A1
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E1 Ⅱ 返回
E1 Ⅰ
热工基础—4 传热过程
克希霍夫定律：
区 分辐射 能力 E 与单色辐射能力 El0，以及 4.4.2.3 斯蒂芬—波尔兹曼定律 (四次方定律) 数学表达式：
T 4 E0 = C0 ( ) ……(4-69) 100
(W/m2)
C0 = 5.669W /(m2·K4)
物理意义：说明黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比 。 上一内容 下一内容 回主目录
② 完整性
完整性
Q11 + Q12 + Q13 + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅ + Q1n = Q1 Q1n Q11 Q12 Q13 + + + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ + =1 Q1 Q1 Q1 Q1
ϕ11 + ϕ12 + ϕ13 + ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ +ϕ1n = 1

(1) 传统窑炉（非中空窑）： tw1 tm（tm是物料温度，由工艺制度规定） 属于第一类边界条件（温度已知）。
(2) 现代窑（如梭式窑、辊道窑、中空窑等）： tf>tw1>tm，属于第二类边界条件（q = const）
• • 关于外壁面散热
已知tw2，属于第三类边界条件。
Q 综2 tw2 t f 2 Fw
值计算；
(b) 修改数学模型。
2.5
• 其中自由对流不仅取决于流体的物性和过程 强度，还取决于空间的形状和大小，对流换 热系数包括有两个壁面上的对流换热以及空 气层的导热。
• 隔热作用评价标准：
(1) RQ
(2) t
(3) t w2
• 因为高温区辐射很强，所以在高温区不能利 用空气夹层来隔热。
• • 由内壁面温度tw1计算散热
Qnet,
fm


fmC0

Tf 100
4


Tm 100
4

Fm
其中火焰至物料系统导来黑度：
fm

f
f m[1 wm (1 f )] wm (1 f )[m f (1 m )]
式中 wm

Fm Fw
若考虑火焰对物料的对流换热，则净热量：
(3) 窑墙外表面向外界大气的对流和辐射传热。
其热—电模拟电路：
R对1
R对2
tf1 •
•tw1
tw2•
• tf2
R辐1
R导
R辐2
Q
三个子过程：
(1) 流体1壁面w1
Q 综1 t f 1 tw1 Fw
[W]
其中： 综1 对1 辐1

具。
P7
1. 绪论
❖ 新石器时代—1万年前，人类对石头进行加工 ❖ 金坛三星村新石器时代遗址
❖ 孟津妯娌新石器时代聚落遗址
P8
P9
P10
P11
1. 绪论
❖(三) 青铜器时代 Bronze Age：人类大量制造和使用第二 种人造材料——“红铜”和“青铜”。
❖ 烧制陶器过程中还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术， 生产出各种青铜器物，进入了青铜器时代。
P13
1. 绪论
❖(三) 铁器时代 Iron Age：人们开始使用铁来制造工具和 武器的时代。
❖ 人类制造和使用的第三种人造材料——铸铁，此后是钢 铁工业的迅猛发展，成为18世纪产业革命的重要内容和 物质基础。冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁的技术 之后，铁器时代就到来了。
❖ 世界上最早使用铁器是小亚细亚的赫梯人在公元前1400 年左右，古希腊和古罗马开始普遍使用在公元前1000年。 中国最早在春秋战国－晋国(大致公元前700年)，铁器的 广泛使用，使人类的工具制造进入了一个全新的领域， 生产力得到极大的提高。
P23
1. 绪论
❖ 硅酸盐材料主要是指由SiO2及其硅酸盐化合物为主要成 分制成的材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。
❖ 1、陶瓷
❖ 中国是世界著名的陶瓷古国，早在八千年前的新石器时 代，我国的先民就已经会制造和使用陶瓷了。陶瓷一般 是由黏土、长石、石英或其他原料经粉碎、混合、成型、 干燥、烧制而成的制品的统称。
❖ 人类对材料的应用一直是社会文明进程的里程碑。纵观 人类发展和材料发展的历史，可以清楚地看到，每一种 重要新材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的 能力提高到一个新 古代的石器、青铜器、铁器等的兴起和广泛利用，极大 地改变了人们的生活和生产方式，对社会进步起到了关 键性的推动作用，这些具体的材料(石器、青铜器、铁 器)被历史学家作为划分某一个时代的重要标志，即石 器时代、青铜器时代、铁器时代等。

欧拉准数
Eu p
2
表示(biǎoshì)意义：流体静压头与动压头之比
雷诺准数 Re l 表示意义：表 示流体惯性力与粘滞阻力之比
葛拉晓夫表准示数意义：Gr流体g浮升t2力3l与3 粘滞阻力之比
31
第三十一页，共五十八页。
硅酸盐工业热工基础
（３）热力学相似(xiānɡ sì)
普朗特数
Pr
a
反映流体中由于分子运动而扩散动量的能力，能 力越大，黏性影响传递地越远，流动边界层越厚
αλ α
9
第九页，共五十八页。
解
硅酸盐工业热工基础
A(tair1
ts1)
A ts2 ts1
d
A(ts2
tair 2 )
A[(tair1
tair 2 )
(ts1
ts2 )]
A
ts1
ts2 d
2
(ts1
ts2)
(tair1 tair 2 )
1 2
d
A ts2 ts1
d
A
d
(tair1 tair
硅酸盐工业热工基础
2.2 对流(duìliú)换热
2.2.1 对流换热基本概念
１．对流传(liúchuán)热与对流换热 对流传热：在流体内部依靠流体的宏观位移将热量从高 温处传向低温处 对流换热：流体与固体之间接触时彼此之间的换热过程。
２．对流换热与对流传热的区别 传热的方式不同：对流换热包括流体位移时的对流传热， 也包括传导
竖直圆管、水平圆管；长度、直径等
2、物理条件：说明对流换热过程的物理特征，如：物性参数 、
c 和 的数值，是否随温度 和压力变化；有无内热源、大小和分布
28

热工基础—4 传热过程
4.3.2 对流换热的基本定律 (1) 牛顿冷却定律 换热的热流量 q 与固体壁面面积和流体之间温度差成正比。
Q (tw t f ) A tA ……(4-40)
Q — 对流换热量，W； tf — 固体壁面温度，℃； tW — 周围流体温度，℃； A — 流体与固体接触的面积，m2； — 对流换热系数，W/(m2·℃)；
等式两侧量纲一致。 将 (4-44)式各个物理量的量纲带入等式，得 MT 3q 1 A(L)2 (ML3 )b (L1MT 1)c (LMT 3q 1)d (LT 1)e (L2T 2q 1) f (LT 2 )
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热工基础—4 传热过程
MT 3q 1 A(L)2 (ML3 )b (L1MT 1)c (LMT 3q 1)d (LT 1)e (L2T 2q 1) f (LT 2 )
Al
a
b
c
d
we
c
f p
( g t )i
……(4-44)
由公式 (4-41) Q / tA 可知 的单位是 W/(m2·℃) 物理量的量纲为 MT-3q-1
要使等式成立，首先等式两侧量纲要一致，比如：
F ma
力的单位是牛顿，量纲为：MLT-2 质量的单位是千克，量纲为：M 加速度的单位是米每二次方秒，量纲为：L/T2
热工基础—4 传热过程
l
A
l
w
e
cp
f
l gt 2
i
Nu
Re
pr
l3 3gt 2
Gr
特征数方程式就是：
Nu A Ree Pr f Gri ……(4-45)
或者：
Nu f (Re, Pr,Gr) ……(4-46)

16
3 导热微分方程
[依据] (1) 傅立叶导热定律； (2) 热力学第一定律——能量守恒定律。
[推导过程]
(1) 物体内无内热源 如图
假定物体各向同性，、cp、为常数，则在同
一时间内，根据能量守恒定律，得如下关系式：
热焓的增量＝传入物体热量－传出物体热量
17
微元六面体：dv＝dxdydz
d时间内x方向传入热量：
则根据傅立叶定律，可求出任一瞬间通过物体
表面dF传出的热量为：
dQ

w
t n
dF
26
例如：
(a) 无限大 有限厚平板 内导热
t1 •
Q
• t2
(b) 非中空窑： tf twtm twtm
tm
tf
tw
••
•
27
第二类边界条件：已知任何时刻通过物体边界面
上的热流qw，即相当于已知任 何时刻边界面上的温度梯度。
0
0
若过程开始时，物体内各部分温度相等，则 初始条件为：
t 0 t0（常数）
25
• 边界条件——物体边界上过程进行的特点，反 映边界与周围环境相作用的条件。
常见的边界条件有三类： 第一类边界条件：已知任何时刻边界上的温度
即： tw const （稳定）
tw f ( ) （不稳定）
(3) 已知Q、R，求t，进而求 t1 或 t2 。 32
单层平壁（变物性）：
= 0(1+t）
其中：t t1 t2 2
根据傅立叶定律得：
q

0
(1

t
)
dt dx
分离变量并积分得： q

2.6 传热在硅酸盐Hale Waihona Puke 业中的应用2.6.1 传热
（1）传导传热 Q F t d
（2）对流传热 Q=αF(tw-tf) （3）辐射传热
Tm 2896
（4）黑体模型
Qnet,12
12
C0
[( T1 ) 100
4
( T2 ) 100
4
]12
F1
2.6.2 工业窑炉的传热 火焰对流、辐射 坯体表面、闸钵外表面、窑体内表面 闸钵外表面 传导 闸钵内表面 坯体表面 传导 坯体内部 窑体内表面 传导 窑体外表面 对流、辐射 环境
2.6.3 隧道窑内的传热
1）在火焰窑炉中，燃烧气体以辐射、对流的方式传热给 制品。
在预热带：T≤800℃，以对流传热为主； 在烧成带：T≥ 800℃，以辐射传热为主；如果窑内采
用气体循环，特别是采用高速调温喷嘴时，大大提高 了窑内气体的流速，提高了对流传热的分量 在冷却带：制品以辐射方式传热给窑墙、窑顶，同时 依靠空气的对流传热，将热量带走。由于冷却带只有 空气，空气不能接受辐射热，所以该带无气体辐射传 热。 2） 隔焰窑则靠发热元件辐射传热给制品。 3）制品在加热时，表面获得热量后，以不稳定导热方式 传热给内部，制品冷却时则相反； 窑墙和窑顶温度不随时间的变化而改变，窑墙和窑顶 表面获得热量后，则以稳定导热方式传热给外表面。 外表面通过向周围的辐射和外界空气的层流对流将表 面热带走。
2.6.44 倒烟窑内的传热
倒烟窑是间歇操作的窑炉，窑内制品、窑墙、窑顶的温度随 时间而改变，倒烟窑内所有传热属于不稳定传热。
1）低温阶段： 燃烧产物以对流传热方式传热给匣体外表面，匣体外表 面以传导方式传热给内表面，匣体内表面已辐射方式传 热给制品，此时，窑内以对流传热为主，辐射传热较少；

硅酸盐工业热工基础
第二章 传热原理
1
2.5 综合传热
综合传热：几种基本传热方式同时起作用的过程。 窑内气体通过窑墙壁向周围空间的散热； 换热器内烟气与空气之间的换热； 窑炉内火焰与物料之间的换热等。
2
2.5.1 一种流体通过器壁将热量传递给另一种流体 （1）器壁为平壁 （2）器壁为圆筒壁
11
2）蓄热式换热器(蓄热器)
热流体
冷流体
冷热流体交替流过一换热面，达 到将热量传向冷流体的目的。
适于高温气体热量的回收或冷却。 如回转式空气预热器。
热流体
冷流体
12
3）间壁式换热器
冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量由热 流体通过壁面传递给冷流体。形式多样，应用广泛。 本章介绍此类换热器。
24
换热器设计计算一般有三个目的：
根据生产过程要求的传热量和其它工艺条件，确定 换热器的传热面积； 确定器壁的温度，以便选择换热器的材料； 通过阻力计算，确定流体阻力，以便选择通风机。
25
（1）传热面积的计算
F Q K tav
先求Q、Δtav、K。
1）传热量Q的计算
传热量可以从高温流体或低温流体在换热器进 出口端的温度变化来计算。
18
3）U型管式换热器
1.U形管 2.壳程隔板 3.管程隔板
• 它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的 两侧，管板用隔板分成两室。这种结构使得每根管子 可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了 热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压， 但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径， 故管板的利用率低。
Q G1(C1''t1'' C1't1' )

硅
4.1传热基本概念
酸
盐
工
传热 热量传递的过程
业
热 工
基本条件 物体间存在温度差
基 础
q k t Rt
低温端
高温端
1
第1页/共12页
硅
酸 盐
（1） 传导传热：依靠物体微观粒子的热运动而传递热量。
工 业
特点：
热
物体各部位不发生宏观相对位移
工
基
础 热量从铁丝的高
温端传递到低温端，
但铁丝外观未变化。
1
定义：温度场中，两等温面间温度差与其法线方向
两等温面间距离比值的极限。
1
第9页/共12页
硅
数学表达式：
酸
t-Δt t t+Δt
盐 工
gradt t n
(℃/m)
业
热
工
单向稳定温度场：
基
础
gradt dt (℃/m)
dx
注意：温度梯度方向
指向温度升高方向，
与热流方向相反
1
第10页/共12页
硅
酸 盐
第2页/共12页
（2）对流传热：依靠流体质点的宏观位移而传热。
硅
酸
单纯对流传热 发生于流体内、流体之间
盐
工
对流换热
流体与固体表面之间的传热
业
热
工
基 础
火焰通过周围气体 的运动对流能将热
量从周围向其它地
方传递
1
第3页/共12页
（3）辐射传热：不借助于媒介物，热量以热射线形式从
硅 酸
高温物体传向低温物体
盐
工
业
热
工
基
础