冶金炉热工基础课件

第三章第三章 传热原理传热原理传热过程即热的传递过程，是自然界和工程界传热过程即热的传递过程，是自然界和工程界和工程技术领域中极为普遍的一种热量传递过程。和工程技术领域中极为普遍的一种热量传递过程。只要有温度差存在的地方，而且热量永远是从只要有温度差存在的地方，而且热量永远是从高温物体自发地传给低温物体的。高温物体自发地传给低温物体的。传热问题传热问题增强传递、减弱传递增强传递、减弱传递传热过程是一种复杂的物理现象，按物理本质的不传热过程是一种复杂的物理现象，按物理本质的不同，将其分为三种基本的传热形式同，将其分为三种基本的传热形式。1）传导传热传导传热现象是指物体内部相邻部分间的热量传现象是指物体内部相邻部分间的热量传递。递。2）对流对流现象只能在气体或液体中出现，它是借温度现象只能在气体或液体中出现，它是借温度不同的各部分流体发生扰动和混合而引起的热量转移。不同的各部分流体发生扰动和混合而引起的热量转移。3）辐射辐射传热是通过电磁波实现的，热能转化为辐射传热是通过电磁波实现的，热能转化为辐射能，被物体吸收的辐射能又转化为热能。能，被物体吸收的辐射能又转化为热能。实际上，很难存在某种单一的传热方式，也就是说，实际上，很难存在某种单一的传热方式，也就是说，传热过程实际上具有复杂性。传热过程实际上具有复杂性。在实际计算里，往往将这些过程当作一个整体来看待。在实际计算里，往往将这些过程当作一个整体来看待。没有温度差，传热就不可能发生。没有温度差，传热就不可能发生。1）温度差温度差越太，传热过程也越强烈，温度差是传热越太，传热过程也越强烈，温度差是传热的动力。的动力。2）阻碍传热的各种因素，如传热两方的距离，物体）阻碍传热的各种因素，如传热两方的距离，物体的导热、辐射或吸收能力等。这些因素的综合称为的导热、辐射或吸收能力等。这些因素的综合称为“热热阻阻”。实际传热过程往往是两种或三种传热方式同时存在的实际传热过程往往是两种或三种传热方式同时存在的综合作用。因而热阻也将是几种传热方式综合在一起的热综合作用。因而热阻也将是几种传热方式综合在一起的热阻。阻。3.1.5 导热系数导热系数导热系数说明物体导热的能力。导热系数说明物体导热的能力。导热系数的物理意义是：它表示传热物体厚度为导热系数的物理意义是：它表示传热物体厚度为lm，两表面的，两表面的温度差为温度差为1，传热面积为，传热面积为lm2，在，在1s内所传递的热量。内所传递的热量。气体、液体和固体三者比较来看：气体、液体和固体三者比较来看：（1）气体的导热系数最小，仅为）气体的导热系数最小，仅为0.0060.58W/m。（2）液体的导热系数在）液体的导热系数在0.090.7W/m之间。之间。（3）固体的导热系数比较大，其中以金属材料的导热系数最）固体的导热系数比较大，其中以金属材料的导热系数最大大3.2 3.2 传导传热传导传热传热体系中的传热体系中的“热压热压”（温度差），有时是变化的，如（温度差），有时是变化的，如传热各方向的温度随时间而变化，这种导热状态称为不传热各方向的温度随时间而变化，这种导热状态称为不稳定状态导热。例如，金属的加热和冷却过程属于不稳稳定状态导热。例如，金属的加热和冷却过程属于不稳定态导热过程。定态导热过程。所谓稳定态导热是指传热系统中各处的温度不随时间变所谓稳定态导热是指传热系统中各处的温度不随时间变化的传热过程。一般冶金炉都是希望作业温度稳定在某化的传热过程。一般冶金炉都是希望作业温度稳定在某一范围内，为了使问题简化，可以取平均值作为计算依一范围内，为了使问题简化，可以取平均值作为计算依据，故整个过程仍作为稳定态导热过程处理。据，故整个过程仍作为稳定态导热过程处理。上式就是单向导热时的傅立叶方程式。上式就是单向导热时的傅立叶方程式。式中：式中：Q沿沿x轴方向的热流，轴方向的热流，W；F与热流垂直的传热面积，与热流垂直的传热面积，m2；与物体性质有关的比例系数，称为与物体性质有关的比例系数，称为导热系数，即当温度沿导热系数，即当温度沿x轴向的变化率为轴向的变化率为1单位单位时，通过单位面积的热流。时，通过单位面积的热流。3.3 对流换热对流换热 对流给热的分析对流给热的分析1 1、对流给热的机理、对流给热的机理运动的流体与固体表面之间通过热对流和导热作用所进行的运动的流体与固体表面之间通过热对流和导热作用所进行的热交换过程，称为对流给热或对流换热。热交换过程，称为对流给热或对流换热。2 2、几个名词、几个名词a a、流体边界层（动力边界层）、流体边界层（动力边界层）b b、主流、主流c c、传热边界层、传热边界层 3.2.2 3.2.2 无相变时的对流给热公式（牛顿公式）无相变时的对流给热公式（牛顿公式）对流给热量对流给热量Q Q可用下面的公式表示：可用下面的公式表示：牛顿对流给热公式牛顿对流给热公式式中式中 ：t1t1流体的温度，流体的温度，t2t2固体表面的温度，固体表面的温度，对对对流给热系数，对流给热系数，W/m2W/m2。由上式可得：由上式可得：对对的定义式的定义式对的物理意义：当流体与壁面的温差为对的物理意义：当流体与壁面的温差为1时，时，单位面积上单位时间内的对流给热量，单位面积上单位时间内的对流给热量，它的单位是它的单位是W/m2。牛顿公式的局限：只给出了计算对流给热的方法，牛顿公式的局限：只给出了计算对流给热的方法，但未解决对流给热的计算问题。但未解决对流给热的计算问题。3.4 辐射传热辐射传热 高温炉辐射是主要的传热方式。高温炉辐射是主要的传热方式。1、辐射传热：物体的热能变为电磁波（辐射能）向四周传、辐射传热：物体的热能变为电磁波（辐射能）向四周传播，当辐射能落到其它物体上被吸收后又变为热能，这一过播，当辐射能落到其它物体上被吸收后又变为热能，这一过程称为辐射传热。程称为辐射传热。辐射传热有其特殊的规律：辐射传热有其特殊的规律：(1)任何物体只要温度高于绝对零度，由于其内部电子的振动任何物体只要温度高于绝对零度，由于其内部电子的振动将产生变化的电场，这种变化的电场产生磁场，磁场又产生将产生变化的电场，这种变化的电场产生磁场，磁场又产生电场，如此交替循环下去，便可以产生电磁波，传递能量。电场，如此交替循环下去，便可以产生电磁波，传递能量。(2)辐射传热不需要任何介质，在真空中同辐射传热不需要任何介质，在真空中同样可以传播，而且热量的传递过程伴随有能样可以传播，而且热量的传递过程伴随有能量形式的转变（即热能量形式的转变（即热能辐射能辐射能热能）。热能）。3.3.3 两物体间的辐射热交换两物体间的辐射热交换在冶金生产中，常遇到一个物体通过辐射把热量传在冶金生产中，常遇到一个物体通过辐射把热量传给另一个物体（如炉墙对被加热物），这时就发生给另一个物体（如炉墙对被加热物），这时就发生两物体之间的辐射热交换，其辐射热交换量的大小两物体之间的辐射热交换，其辐射热交换量的大小不仅与辐射强度有关，而且还与两物体的表面形状不仅与辐射强度有关，而且还与两物体的表面形状及两表面在空间所处的相互位置有关。及两表面在空间所处的相互位置有关。3.5 综合传热综合传热两种或两种以上传热方式同时存在的传热过程，称为综两种或两种以上传热方式同时存在的传热过程，称为综合传热。合传热。1、对流和辐射同时存在的综合传热、对流和辐射同时存在的综合传热如果物体表面同时以辐射和对流两种传热方式得到热量，如果物体表面同时以辐射和对流两种传热方式得到热量，则所得总热量应是辐射传热量和对流给热量之和。如果则所得总热量应是辐射传热量和对流给热量之和。如果以以Q表示所得总热量，则：表示所得总热量，则：式中：式中：W 对流和辐射同时存在的综合传热的基本公式。对流和辐射同时存在的综合传热的基本公式。t1高温物体的温度，高温物体的温度，;t2低温物体的温度，低温物体的温度，;F物体的加热表面积，物体的加热表面积，m2;对对 对流给热系数，对流给热系数，W/m2；2、流体通过固体对另一流体的传热流体通过固体对另一流体的传热生产中存在许多这种综合传热现象。热管道内的高温流生产中存在许多这种综合传热现象。热管道内的高温流体通过管壁向大气空间的传热、炉内气体通过炉衬向大气体通过管壁向大气空间的传热、炉内气体通过炉衬向大气空间或水冷设备的传热、换热器内高温流体通过管壁向低空间或水冷设备的传热、换热器内高温流体通过管壁向低温流体的传热等都属于这种综合传热。温流体的传热等都属于这种综合传热。毫升水的流出时间时毫升油的流出时间时200C20200CtEt 3、竖炉内的热交换、竖炉内的热交换 实际的竖炉内，热交换多按上述两种情况进行。实际的竖炉内，热交换多按上述两种情况进行。即上部按进行工作，而下部则按的情况进行工即上部按进行工作，而下部则按的情况进行工作。作。根据以上分析，可得如下关于竖炉热交换的一般规律：根据以上分析，可得如下关于竖炉热交换的一般规律：(1)炉气出炉温度及炉料被加热的最终温度皆与炉气及炉气出炉温度及炉料被加热的最终温度皆与炉气及炉料水当量之相对比值有重要关系炉料水当量之相对比值有重要关系,在高度不特别低（即在高度不特别低（即大于大于H1+H2）时，出炉气体及物料最终温度与炉子高度无）时，出炉气体及物料最终温度与炉子高度无关。凡引起炉料或炉气水当量变化的因素，才能改变炉内关。凡引起炉料或炉气水当量变化的因素，才能改变炉内的温度分布。的温度分布。（2）增大燃料消耗量时，变大，故出炉气体温）增大燃料消耗量时，变大，故出炉气体温度将提高。度将提高。（3）预热鼓风时，因没有改变之值，故不能提）预热鼓风时，因没有改变之值，故不能提高炉顶气体之温度，热风所带进的热量，只是提高高炉顶气体之温度，热风所带进的热量，只是提高了风口区的温度，而强化了炉子下部的热交换。当了风口区的温度，而强化了炉子下部的热交换。当采用预热鼓风后，由于降低了炉内的直接燃料消耗采用预热鼓风后，由于降低了炉内的直接燃料消耗而变小而变小,故炉顶气体温度反而会有所降低。故炉顶气体温度反而会有所降低。(4)采用富氧鼓风后，提高了燃烧温度，减少了炉气采用富氧鼓风后，提高了燃烧温度，减少了炉气数量使数量使 变小，高炉废气温度将会降低。富氧鼓风和变小，高炉废气温度将会降低。富氧鼓风和预热鼓风有相同的意义，不仅加大了气体与炉料之预热鼓风有相同的意义，不仅加大了气体与炉料之温度差，强化了传热，而且由于减少了炉气量及废温度差，强化了传热，而且由于减少了炉气量及废气温度，因而大大提高了炉内热量的利用率。气温度，因而大大提高了炉内热量的利用率。(5)既然竖炉内热交换多集中在某一段既然竖炉内热交换多集中在某一段(如炉子下部的风口如炉子下部的风口附近附近)完成，因此，在同一区域创造出集中的高温带，将大完成，因此，在同一区域创造出集中的高温带，将大大强化热交换过程，与此同时，也将节约燃料消耗。大强化热交换过程，与此同时，也将节约燃料消耗。应该说明：前面对竖炉内热交换问题的分析是假定炉内气应该说明：前面对竖炉内热交换问题的分析是假定炉内气流在横断面上的分布均匀为前提的。而实际上炉内气流的分流在横断面上的分布均匀为前提的。而实际上炉内气流的分布并不均匀。布并不均匀。