热处理炉炉子传热原理教学PPT.ppt

34 第二章 炉子传热原理 §3. 对流换热 一、对流换热的基本概念与机理： 1.流动边界层 （1）定义：流体流经固体表面时，由于流体的粘性作用，使紧贴固体表面的流体速度等于0。随着离开壁面的距离增加，其速度迅速增大。在离壁面δ处流速为流体主流速度的99%，这个距离δ称为边界层 。 （2）雷诺数： Re=vdρ /μ v: 流速(m/s); d: 管道水力学d=4F/s直径(M); ρ:流体密度(kg.m3) μ: 流体粘度(N·s/m2) 管道中：Re2100 层流；Re2300 紊流 ；2100Re2300 可能为层流也可能为紊流。 对于空气循环电阻炉和热处理燃料炉中遇到的气体流动大多属于紊流。 2．热边界层： （1）定义：紧贴固体表面的流体温度等于固体表面温度，而在离固体表面某一δt处，流体温度接近于主流温度，则厚度为δt的流体层称为热边界层。 （2）注：①在热边界层内温度梯度dt/dy有显著变化，而在热边界层之外为等温流动区，温度梯度为0。 ②热边界层厚度δt不一定等于流动边界层厚度，它们之间的相互关系主要取决于主流体性质。 3.对流换热机理 （1）对于层流边界层：热量只能靠流体的传导传热 （2）对于紊流边界层: 层流底层中：热量传递为导热。 紊流区：导热及流体质点紊流混合。 （3）对于主流区：取决于主流区流体的流动状态。 二、牛顿公式——对流换热计算公式 对流换热的热量与流体和固体表面间的温差以及两者的接触面积成正比： Q= a(t1-t2)F (w) == q=a(t1-t2) (w/m2) 式中a为对流换热系数，它表明当流体与壁面间的温差为1℃时，在单位时间内，通过单位面积的热量。a的大小，反映出对流换热过程的强弱程度。 Q= (t1-t2)/（1/aF）==Rt=1/aF 三、影响对流换热的因素 1.流体流动发生的原因： （1）自然对流：V↓→δ↑→R↑→a↓。 （2）强制对流：V↑→δ↓→R↓→a↑ 。 2.流体的流动状态： （1）层流：靠传导，热流方向垂直于流体运动的方向。 （2）紊流：传导+紊流混合，取决于层流底层传导，但层流底层薄，所以总的传热能力比层流大。 相同条件下：流速高的紊流a 流速低的层流a。 （原因：①紊流中层流低层薄，R↓； ②流速高紊流流体内相对位移大，对流换热激烈a↑。 3.流体的物理性质： （1）流体的导热系数：λ↑(Rt↓) →a↑; （2）流体的比热c: c↑→a↑; （3）流体的密度ρ：ρ↑→a↑(流体的流量与流体的密度成正比，密度增加流体在单位时间内所携带的热量，从而加强流体与壁面之间的对流换热。) （4）流体的粘度：粘度大↑→δ↑→R↑→a↓。 4.固体表面的形状、大小、位置 四.对流换热系数的确定——实验确定 1.自然对流时的对流换热系数 经验公式：a=A(t1-t2)1/4（w/m2·℃） 炉壁自然对流换热系数与炉壁和空气间的温差t1-t2成正比；A为系数，对炉墙竖壁为2.56，炉底外壁 为1.63，炉顶外壁为3.26，单位：w/(m2·c1.25)。 2.强制对流时的对流换热系数 (1)气体沿平面流动时： (2) 气体沿长形工件流动时： a=kvt0.8 (w/(m2·℃)) vt--炉膛内循环空气的实际流速（m/s） K—取决于炉温的系数，由下表得出 也有 a=6.98+3.2vt0.8 (w/(m2·℃)) （3）炉气在燃料炉中稳定流动时： a=zvt0.8/d0.2 KlKH20 (w/(m2·℃)) 式中：vt——炉膛内炉气的实际流速(m/s)； d——炉膛通道的水力学直径(m)； z——炉气温度的系数： kl——通道长度l与水力学直径d比值的系数： KH20——炉气中水蒸汽含量的系数： （4）气流在通道内层流流动时： a=5.99λ/d (w/m2) λ——炉气的导热系数(w/(m·℃))。 d——通道的水力学直径。 [例3]：设有一台空气循环电炉，循环空气温度为500℃，炉内加热轧制金属板，面积为1 m2，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℃时的对流换热量。 解：求v0 , 当vt1=5 m/s时 v01=vt·273/（273+500）=0.35vt=0.35×5=1.8m/s 同理：vt2=10 m/s ； v02=3.5 m/s ； vt3=20 m/s ； v03=7.1 m/s 。 设金属表面为轧制表面，代入相应公式： a1=13.46