材料111金材111封面緒論第一章2014

1、南京工程學(xué)院教案【封面】任課系部：材料工程學(xué)院 授課時(shí)間：2013-2014年第2學(xué)期課程名稱材料設(shè)備及設(shè)計(jì)課程編號(hào)0802605106專業(yè)材料科學(xué)與工程班級(jí)材料111，金材111課程類別必修課公共基礎(chǔ)課；專業(yè)基礎(chǔ)課；專業(yè)課選修課限選課； 任選課； 公選課總學(xué)時(shí)數(shù)40學(xué)分?jǐn)?shù)2.5考核方式考試；考查學(xué)時(shí)分配課堂講授 40 學(xué)時(shí)； 實(shí)踐課 0 學(xué)時(shí)教材名稱熱處理爐作者吉澤升出版社及出版時(shí)間哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007指定參考書熱處理設(shè)備熱處理爐爐溫儀表與熱控制側(cè)溫儀表與感應(yīng)加熱裝置作者孟繁杰曾祥模李均宜陳特夫出版社及出版時(shí)間機(jī)械工業(yè)出版社，1988西北工業(yè)大學(xué)出版社，1989機(jī)械工業(yè)出版社，19

2、81 機(jī)械工業(yè)出版社，1983 授課教師方信賢職稱副教授單位材料工程學(xué)院南京工程學(xué)院教案【教學(xué)單元首頁】第 1 次課 授課學(xué)時(shí) 1 教案完成時(shí)間：2014.1章、節(jié)緒論主要內(nèi)容1、熱處理設(shè)備與材料科學(xué)2、我國(guó)熱處理設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)3、熱處理爐的分類4、課程性質(zhì)、內(nèi)容與要求目的與要求目的：了解課程的性質(zhì)與要求。要求：了解課程的性質(zhì)與要求。重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)方法與手段板書與多媒體教學(xué)結(jié)合。緒論1.國(guó)內(nèi)其它大學(xué)本課程的情況介紹課程名稱：熱處理爐，熱處理設(shè)備，熱處理設(shè)備及控制。課程學(xué)時(shí)變化：64學(xué)時(shí)，56學(xué)時(shí)，40學(xué)時(shí)，32學(xué)時(shí)。課程內(nèi)容變化：熱處理爐、感應(yīng)加熱裝置、熱工儀表。2.學(xué)習(xí)本課程重要性熱處

3、理工程師認(rèn)證：四大塊中獨(dú)立的一塊。就業(yè)企業(yè)：熱處理設(shè)備制造企業(yè)電爐廠。熱處理相關(guān)部門：1）技術(shù)部門：編制工藝時(shí)根據(jù)工件在工藝流程中所處工序位置，正確地選擇設(shè)備；新產(chǎn)品零件工藝調(diào)試時(shí)，正確地使用設(shè)備；2）檢驗(yàn)部門：實(shí)驗(yàn)電爐的正確使用；3）生產(chǎn)車間：設(shè)備的基本管理、正確使用及簡(jiǎn)單的維護(hù)；車間舊設(shè)備報(bào)廢或設(shè)備不能滿足生產(chǎn)需求時(shí)新設(shè)備的選購(gòu)。3.熱處理主要設(shè)備和輔助設(shè)備（補(bǔ)充，工程師培訓(xùn)教材）1）主要設(shè)備熱處理爐：指有爐膛的熱處理加熱設(shè)備，如箱式電阻爐、井式爐、真空爐等。加熱裝置：指熱源直接對(duì)工件加熱的裝置，如火焰加熱裝置和感應(yīng)加熱裝置。表面改性裝置：主要有氣相沉積和離子注入等。表面氧化裝置：由一系列

4、槽子組成，如發(fā)藍(lán)或發(fā)黑槽等。表面機(jī)械強(qiáng)化裝置：有噴丸機(jī)和輥壓機(jī)等。淬火冷卻設(shè)備：常用的有各類冷卻介質(zhì)的淬火槽、噴射式淬火裝置、壓力淬火機(jī)等。冷處理設(shè)備：常用的裝置有冷凍機(jī)、干冰冷卻裝置和液氮冷卻裝置。工藝參數(shù)檢測(cè)、控制儀表：指對(duì)溫度、流量、壓力、碳勢(shì)等參數(shù)的檢測(cè)、指示和控制儀表等。2）輔助設(shè)備清洗機(jī)和清理設(shè)備：指對(duì)熱處理前、后工件清洗或清理的設(shè)備。如清洗機(jī)、清理滾筒、噴砂機(jī)、拋丸機(jī)、脫脂爐等。爐氣氛制備設(shè)備：如吸熱式發(fā)生器、放熱式發(fā)生器、氨分解器、制氮機(jī)等。淬火介質(zhì)循環(huán)裝置：主要包括儲(chǔ)液槽、泵、冷卻器、過濾器等。起重運(yùn)輸設(shè)備：主要有車間起重機(jī)、運(yùn)輸車輛、傳送工件的滾道和傳送鏈等。動(dòng)力輸送管路及

5、輔助設(shè)備：主要有管路系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)泵、儲(chǔ)氣罐及儲(chǔ)液罐等。防火防塵等生產(chǎn)安全設(shè)備：主要有抽風(fēng)機(jī)、廢氣反應(yīng)槽及防火噴霧器等。4.我國(guó)熱處理設(shè)備的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1）我國(guó)熱處理設(shè)備的制造技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀：制備技術(shù)：已掌握傳統(tǒng)熱處理設(shè)備制造技術(shù)，如各種箱式電阻爐、井式電阻爐、化學(xué)熱處理爐氣體滲碳爐（包括井式、滾筒式、連續(xù)式）、氮化爐（包括氣體、離子氮化爐）、保護(hù)氣氛爐（包括密封箱式爐、網(wǎng)帶爐、振底爐等）、感應(yīng)熱處理設(shè)備（包括高頻、中頻、工頻、超音頻）、浴爐（如鹽浴爐、流動(dòng)粒子爐）、真空熱處理設(shè)備等。但先進(jìn)熱處理設(shè)備與國(guó)外尚有一定差距如激光熱處理設(shè)備激光源穩(wěn)定性和壽命。企業(yè)特點(diǎn)：熱處理設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)眾多、

6、規(guī)模較小、企業(yè)技術(shù)力量薄弱、缺少質(zhì)量和售后服務(wù)意識(shí)、對(duì)設(shè)備外觀與性價(jià)比不夠重視，由于企業(yè)規(guī)模過小，難于形成技術(shù)、資金等優(yōu)勢(shì)，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力較差。2）我國(guó)企業(yè)熱處理設(shè)備裝備現(xiàn)狀：熱處理裝備相對(duì)比較落后，仍以周期式箱式電阻爐、井式電阻爐和鹽浴爐為主。造成熱處理裝備落后原因：熱處理生產(chǎn)非常分散，各機(jī)械類企業(yè)基本均有自己的熱處理生產(chǎn)車間或分廠，專業(yè)化規(guī)模熱處理廠家很少，且專業(yè)熱處理廠主要是規(guī)模很小的私人企業(yè)，這種現(xiàn)狀決定了難于形成規(guī)模生產(chǎn)批量，由于生產(chǎn)批量決定了作業(yè)制度和熱處理裝備，因而目前國(guó)內(nèi)中小企業(yè)熱處理裝備主要以周期式熱處理設(shè)備為主，先進(jìn)熱處理裝備主要集中在一些大型機(jī)械類企業(yè)集團(tuán)如一汽、二汽等。上游

7、制造技術(shù)落后，導(dǎo)致產(chǎn)品加工余量較大，造成對(duì)熱處理少氧化、無氧化處理市場(chǎng)需求較小，因而目前企業(yè)周期式爐仍以空氣式加熱爐為主。3）熱處理設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)：少、無氧化設(shè)備如密封式爐和真空爐取代傳統(tǒng)空氣為加熱介質(zhì)熱處理爐。碳勢(shì)控制設(shè)備逐步推廣。開發(fā)和推廣熱處理成套技術(shù)，提高和穩(wěn)定熱處理產(chǎn)品質(zhì)量。5.熱處理爐分類按工作溫度：低溫爐（650ºC）、中溫爐（650ºC-1000ºC）和高溫爐（>1000ºC）；按爐膛加熱介質(zhì)：自然介質(zhì)（空氣）爐、浴爐、可控氣氛爐（保護(hù)氣氛爐）、真空爐等；按作業(yè)規(guī)程：周期式爐和連續(xù)式爐等；按生產(chǎn)用途：退火爐、淬火爐、回火爐、正火爐、

8、滲碳爐、氮化爐等；按熱能來源：電阻爐和燃料爐。6.課程性質(zhì)、內(nèi)容與要求材料設(shè)備及設(shè)計(jì)是材料科學(xué)及工程、金屬材料工程專業(yè)的一門必修專業(yè)課，其主要內(nèi)容是介紹材料熱處理設(shè)備原理、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及其控制儀表和控制技術(shù)，學(xué)生學(xué)完本課程后應(yīng)能達(dá)到下列基本要求：1）了解常用熱處理設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、主要參數(shù)及選用原則。2）掌握熱處理電阻爐設(shè)計(jì)原理、方法和步驟，具有設(shè)計(jì)電阻爐的初步技術(shù)。3）了解熱處理溫度測(cè)量及控制的基本原理和技術(shù)。4）熟悉常用熱處理溫度測(cè)控儀表的鑒定、選擇和使用方法。7.主要參考資料：（1）孟繁杰，黃國(guó)靖合編.熱處理設(shè)備.機(jī)械工業(yè)出版社，1988年11月北京第一版，1989年北京第二次印刷。（2

9、）曾祥模主編.熱處理爐.西北工業(yè)大學(xué)出版社，1989年8月第一版，1991年7月第二次印刷。（3）熱處理設(shè)備及設(shè)計(jì)編寫組.熱處理設(shè)備及設(shè)計(jì).山東人民出版社，1977年10月第一版，1977年10月第一次印刷。（4）李均宜主編.爐溫儀表與熱控制.機(jī)械工業(yè)出版社，1981年7月北京第一版，1982年4月北京第二次印刷。（5）陳特夫主編.測(cè)溫儀表與感應(yīng)加熱裝置.機(jī)械工業(yè)出版社，1985年6月北京第一版，1988年8月重慶第四次印刷。南京工程學(xué)院教案【末頁】本單元知識(shí)點(diǎn)歸納1.熱處理設(shè)備分類、現(xiàn)狀；2.課程性質(zhì)及要求。思考題或作業(yè)題本單元教學(xué)情況小結(jié)審閱意見 審閱人：注：教案首頁和末頁中間為授課內(nèi)容南

10、京工程學(xué)院教案【教學(xué)單元首頁】第 1-2 次課 授課學(xué)時(shí) 3 教案完成時(shí)間：2014.1章、節(jié)第一章 熱處理爐內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)；§1.1、氣體靜力學(xué)的基本概念§1.2、氣體動(dòng)力學(xué)及伯努利方程主要內(nèi)容1.氣體靜力學(xué)的基本概念2.氣體流動(dòng)基本概念；3.氣體流動(dòng)連續(xù)性方程和伯努利方程；4.爐氣在運(yùn)動(dòng)中的能量損失；5.爐氣通過小孔的溢氣流量計(jì)算；6.敞開爐門時(shí)的溢氣和吸氣。目的與要求目的：通過學(xué)習(xí)氣體靜力學(xué)基本概念和氣體動(dòng)力學(xué)基本理論，理解熱處理爐發(fā)生吸氣和溢氣的原因及機(jī)理。要求：了解氣體靜力學(xué)和氣體運(yùn)動(dòng)的一些基本概念，掌握氣體連續(xù)性方程和伯努利方程。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：氣體連續(xù)性方程和伯

11、努利方程。難點(diǎn)：熱處理爐吸氣和溢氣量的計(jì)算。教學(xué)方法與手段板書和多媒體教學(xué)結(jié)合。第一章：熱處理爐內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)本章意義：爐氣運(yùn)動(dòng)與爐內(nèi)熱交換、爐溫均勻性、氣氛均勻性（化學(xué)熱處理爐）等密切相關(guān)，合理引導(dǎo)爐內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)，是確保熱處理質(zhì)量的重要保障。本章主要內(nèi)容：介紹爐氣運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律，主要包括靜止氣體能量、爐內(nèi)氣體與爐外氣體相互作用、氣體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力和阻力、及流動(dòng)氣體連續(xù)性方程和伯努利方程等，并運(yùn)用這些規(guī)律分析熱處理爐內(nèi)氣體壓力分布及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律、爐門開啟時(shí)的吸氣和溢氣計(jì)算等。本章內(nèi)容特點(diǎn)：概念多，學(xué)好本章需要理解性地記憶。§1.1 氣體靜力學(xué)基本概念一.靜止氣體能量：1.氣體壓強(qiáng)（p）氣體壓強(qiáng)p

12、：指氣體作用在容器單位面積上的力。單位為帕斯卡（Pa），1Pa=1N/m2。絕對(duì)壓強(qiáng)p：從絕對(duì)零點(diǎn)（絕對(duì)真空）算起的氣體壓強(qiáng)。相對(duì)壓強(qiáng)p：以大氣壓為計(jì)算起點(diǎn)的氣體壓強(qiáng)，即同一水平面上容器內(nèi)氣體絕對(duì)壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)之差。相對(duì)壓強(qiáng)可用普通壓力表直接測(cè)量，又稱表壓強(qiáng)。常用U形管測(cè)量相對(duì)壓強(qiáng)，相對(duì)壓強(qiáng)p=p-pa=gh，為管內(nèi)液體密度（kg/m3），g為重力加速度(9.8m/s2)，h為U形管液面高度差(m)p=pa時(shí)為相對(duì)零壓；p>pa時(shí)為相對(duì)正壓；p<pa時(shí)為相對(duì)負(fù)壓。相對(duì)負(fù)壓也稱為真空度，是氣體絕對(duì)壓力小于大氣壓那部分壓力值。2.壓力能（或靜壓能或壓強(qiáng)能）Es氣體壓強(qiáng)是氣體分子儲(chǔ)存能量

13、的表現(xiàn)，單位體積氣體所能做的功稱為壓力能或靜壓能或壓強(qiáng)能。壓力能Es和壓強(qiáng)p間關(guān)系：Es=p，可用下圖推導(dǎo)得到該公式。設(shè)氣體壓強(qiáng)為p、活塞截面積為A、活塞在氣體作用下移動(dòng)了dl,氣體所做功:dW=F.dl=p.A.dl=p.dV單位體積氣體所做功：=p，即：Es=p?？梢?1)單位體積氣體靜壓能與氣體壓強(qiáng)數(shù)值相等，但單位不同；2)從力角度，p為氣體靜壓強(qiáng)，從能量角度，p為單位體積氣體具有的靜壓能。3.氣體位能Ep物理中學(xué)過，質(zhì)量為m、距基準(zhǔn)面高度為z物體的位能為m.g.z；同理，體積為dV的靜止氣體，距基準(zhǔn)面高度為z時(shí)位能為：m.g.z=.dV.g.z，單位體積氣體位能Ep=.g.z?？梢?，氣

14、體位能與距基準(zhǔn)面高度z有關(guān)。Z4.靜止氣體平衡方程及壓力分布：靜止氣體中取微體積元，設(shè)上、下面面積均為dS，Z方向體積元受力包括周圍靜止氣體靜壓強(qiáng)和自身重力dmg（如圖2-4）。 由于氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此：pdS-p+.dzdS-dmg=0，整理得：dp= -= -dmg.= -g.dz= -gdz，設(shè)為常數(shù)，積分得：p= -gz + C或壓力能+位能=C=常數(shù)，該式即流體靜力學(xué)基本方程。討論：1）流體靜力學(xué)基本方程表征重力場(chǎng)中不可壓縮流體壓強(qiáng)分布規(guī)律，可近似用于一般爐內(nèi)氣體。2）為常數(shù)的靜止氣體中，壓強(qiáng)沿高度呈直線分布。3）靜止氣體中任一高度處壓力能和位能和為常數(shù)，即：p1+gz1=p2+

15、gz2。4）任意兩平面壓強(qiáng)差絕對(duì)值等于gH，H為兩平面高度差5）靜止氣體絕對(duì)壓強(qiáng)隨高度增加而減?。╬=C-gz）。二、靜止?fàn)t氣與爐外空氣的相對(duì)能量壓頭壓頭指單位體積爐氣與同水平面爐外單位體積空氣的能量差。靜止?fàn)t氣對(duì)空氣具有兩種形式壓頭：靜壓頭和位壓頭。1.靜壓頭（hs）：?jiǎn)挝惑w積爐氣壓強(qiáng)能pg與同水平面爐外單位體積空氣壓強(qiáng)能pa之差。靜壓頭在數(shù)值上等于爐氣相對(duì)壓強(qiáng)（即表壓強(qiáng)），可直接測(cè)量。靜壓頭大于零時(shí)，爐內(nèi)壓強(qiáng)大于爐外壓強(qiáng)，爐氣外溢；靜壓頭小于零時(shí)則發(fā)生爐外空氣被吸入爐內(nèi)。研究靜壓頭分布有兩種方法：設(shè)爐氣密度為g，壓力能為pg，爐外空氣密度為a,壓力能為pa。方法一：根據(jù)靜止氣體壓強(qiáng)分布規(guī)律

16、由p= -gz + C得：z=p，即爐氣和爐外空氣沿爐膛高度分布規(guī)律是斜率分別為和的直線（見圖2-6），在兩直線交點(diǎn)位置，爐氣壓強(qiáng)能和空氣壓強(qiáng)能相等，靜壓頭為零，對(duì)應(yīng)的水平面稱為相對(duì)零壓面（簡(jiǎn)稱零壓面）。方法二:用靜止氣體基本方程求靜壓頭以零壓面作為參考面或基準(zhǔn)面，設(shè)零壓面壓強(qiáng)能為p0，零壓面以上H處爐氣和空氣壓強(qiáng)能分別為pg、pa，則根據(jù)靜止氣體基本方程pg+gH=p0,爐氣pg=p0-ggH，空氣pa=p0-agH，靜壓頭hs=pg-pa=（a-g）gH同理：零壓面以下H處?kù)o壓頭hs= -（a-g）gH上述分析表明：1）爐氣靜壓頭沿高度呈直線分布；2）爐頂靜壓頭高于爐底靜壓頭；3）零壓面以

17、上爐氣靜壓頭為正，爐氣外溢；零壓面以下爐氣靜壓頭為負(fù)，空氣被吸入。2.位壓頭hp（幾何壓頭）：?jiǎn)挝惑w積爐氣位能與同水平面爐外單位體積空氣位能差。即：hp=ggz-agz=(g-a)gz。研究位壓頭分布時(shí)，常選熱氣柱頂面為基準(zhǔn)面。位壓頭沿高度呈直線分布，越往下壓頭越大，爐氣向上浮動(dòng)能力越大。位壓頭按上述公式計(jì)算，不能直接測(cè)量。靜止?fàn)t氣靜壓頭和位壓頭都是因容器內(nèi)爐氣和容器外空氣存在密度差異所致，靜壓頭常用來分析爐膛溢氣和吸氣情況，位壓頭常用于分析爐氣浮動(dòng)能力。3.總壓頭：靜壓頭+位壓頭根據(jù)靜止?fàn)t氣平衡方程,對(duì)任意兩平面有：爐氣：pg1+ggz1= pg2+ggz2 （1）；空氣：pa1+agz1=

18、 pa2+agz2 （2）；（1）-（2）得：（pg1- pa1）+（g-a）gz1=（pg2- pa2）+（g-a）gz2，即：hs1+hp1=hs2+hp2=C=常數(shù)，可見：靜止?fàn)t氣在不同高度上靜壓頭和位壓頭和為定值，兩者可相互轉(zhuǎn)化，靜壓頭大處位壓頭必小，但其總壓頭不變，該定律稱為壓頭守恒定律。例題1.1、某熱處理爐爐膛高1.2米，爐內(nèi)溫度900ºC，爐外空氣溫度25ºC，求下列情況靜壓頭垂直分布：1）相對(duì)零壓面在爐底；2）爐底處爐氣靜壓頭為10Pa；3）爐底處爐氣靜壓頭為-10Pa。（已知標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下即零度一個(gè)大氣壓下空氣密度0為1.293kg/m3；爐內(nèi)氣體為空氣；不

19、同溫度下空氣密度可用下式計(jì)算：t=0，式中t為溫度，單位ºC，為氣體膨脹系數(shù)，值為1/273。）解：1）900ºC=1.293×1/(1+900/273)=0.301p25ºC=1.293×1/(1+25/273)=1.184設(shè)p0為爐底處空氣壓強(qiáng)，pg為爐頂氣體壓強(qiáng)，pa為爐頂處空氣壓強(qiáng)因零壓面在爐底，根據(jù)靜止氣體基本方程有：pg=p0-900ºCgH，pa=p0-25ºCgH爐頂處?kù)o壓頭hs=pg-pa=（25ºC -900ºC）gH=（1.184-0.301）×9.8×1.2=1

20、0.4Pa由于靜壓頭沿高度呈直線分布，故有：hs=（10.4/1.2）z=8.7z2)設(shè)靜壓頭分布直線方程為：hs=8.7z+b，因?yàn)閦=0時(shí)，hs=10Pa，代入上式得b=10，所以hs=8.7z+103）同理可得hs=8.7z-10本節(jié)知識(shí)可直接用于分析1）滲碳過程滲不上碳甚至出現(xiàn)氧化現(xiàn)象；2）真空設(shè)備漏氣檢測(cè)（酒精或丙酮撿漏法）§1.2氣體動(dòng)力學(xué)及伯努利方程一、氣體流動(dòng)性質(zhì)1.氣體流量和流速：氣體流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過給定面積氣體量。常用體積流量qv和質(zhì)量流量qm表示,qv=V/ t（m3/s），qm=m/t(kg/s)。氣體流速v：氣體流動(dòng)速度在管道上分布不均勻，工程上所說流速

21、指管道中流體平均流速，即單位面積上平均流量。氣體按流速不同分為低速和高速兩類。低速流動(dòng)時(shí)，流速對(duì)氣體密度影響不大，可看作不可壓縮氣體。流動(dòng)爐氣屬于不可壓縮流體。流速流量間關(guān)系：qv=vf；qm=m/t=V/t=qvt/t=vf，式中f為面積。熱處理爐常用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量氣體（如密封箱式爐內(nèi)通入保護(hù)氣氛）、液體（如網(wǎng)帶爐內(nèi)通入甲醇）流量。2.氣體的粘性：氣體粘性：氣體流動(dòng)時(shí)內(nèi)部各層間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力或切應(yīng)力性質(zhì)。氣體粘度指粘性大小程度。氣體在水平管道內(nèi)層狀流動(dòng)時(shí)，不同部位氣體流速不同，管內(nèi)壁上流速為零，離管壁越遠(yuǎn)流速越大，管中心流速最大流動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力引起。研究表明，相鄰層間因相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力F

22、與層間交界面積f及相鄰層速度梯度成正比，即摩擦力F=f或切應(yīng)力=，為動(dòng)力粘度系數(shù)或動(dòng)力粘度，單位Pa.s。3.氣體流動(dòng)形態(tài)（補(bǔ)充內(nèi)容）流體流動(dòng)分層流和紊流兩種。層流流動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)做有規(guī)律平行運(yùn)動(dòng)，層流間不混合，質(zhì)點(diǎn)沒有徑向運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定層流在管道截面上速度分布呈拋物線，截面上平均速度一般取最大速度的50%。紊流流動(dòng)：流體質(zhì)點(diǎn)不僅沿前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，還向各個(gè)方向作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，不停相互混合。紊流流動(dòng)時(shí)，在緊貼管壁處存在極薄層流（幾分之一毫米），稱為層流底層，流體在管內(nèi)呈穩(wěn)定紊流時(shí)，管道截面上速度在靠近壁面處變化最大，而在離流動(dòng)壁面稍遠(yuǎn)處的紊流核心，流速呈對(duì)數(shù)分布，速度變化很小。紊流越劇烈，速度越接近一致。

23、在一般爐子應(yīng)用范圍內(nèi)，vav=(0.82-0.85)vmax。層流底層對(duì)紊流流動(dòng)能量損失、流體與壁面間換熱過程影響大。層流層厚度增大，能量損失減小，換熱效果差；反之，紊流加強(qiáng)，層流層厚度減小，換熱效果好。生產(chǎn)上常通過提高流速?gòu)?qiáng)化紊流來加強(qiáng)對(duì)流換熱過程。4.氣體動(dòng)能氣體動(dòng)能：由物理學(xué)得知，物體動(dòng)能等于0.5Mv2，對(duì)密度為的單位體積氣體，其動(dòng)能為：Ed=0.5Mv2=0.5v2。氣體動(dòng)壓頭：管道內(nèi)流動(dòng)著的單位體積氣體與管外空氣動(dòng)能差。K材料對(duì)熱處理爐來說，爐外空氣可認(rèn)為是靜止的，其動(dòng)能為零，故爐氣具有的動(dòng)壓頭即為爐氣具有的動(dòng)能。即動(dòng)壓頭hd=Ed=0.5v2。二、爐氣在運(yùn)動(dòng)中的能量損失爐氣爐膛內(nèi)

24、流動(dòng)時(shí)，會(huì)因沖擊及摩擦等造成能量損失或壓頭損失（hl），其一般表達(dá)式為：hl=K× v2，K為阻力系數(shù)。工程上為計(jì)算方便，常把能量損失分為摩擦阻力損失（沿程阻力損失）和局部阻力損失兩類。1.摩擦能量損失hf摩擦能量損失指氣體在管道中流動(dòng)時(shí)因氣流與管壁和氣體分子間摩擦力而產(chǎn)生的能量損失。摩擦能量損失與氣流動(dòng)能成正比，氣流動(dòng)能越大，摩擦能量損失越大。2.局部能量損失hp局部能量損失：由局部阻力引起的能量損失，如由于管道突然轉(zhuǎn)向或截面變化導(dǎo)致局部氣流運(yùn)動(dòng)方向或速度改變，使氣流內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)間相互沖擊或形成旋渦而造成局部區(qū)域能量損失。局部能量損失也與流體動(dòng)能成正比。氣體是連續(xù)介質(zhì)，當(dāng)氣體在管道內(nèi)穩(wěn)

25、定流動(dòng)時(shí)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流入流體質(zhì)量必然等于流出流體質(zhì)量，即：M1=M2，因?yàn)镸1=v1f11，M2=v2f22，所以v1f11=v2f22，此即氣體流動(dòng)連續(xù)性方程。因?yàn)闅怏w為不可壓縮氣體，即：1=2所以v1f1 =v2f2，此即不可壓縮氣體流動(dòng)連續(xù)性方程，即密度恒定的氣體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，其流速與管道截面成反比。三、氣體流動(dòng)連續(xù)性方程式四.伯努利方程及其應(yīng)用金材1.伯努利方程表達(dá)式根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體能量守恒定律，不可壓縮氣體在管內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，氣體能量保持恒定。圖2-16中截面上氣體全部能量（壓力能、位能、動(dòng)能之和）應(yīng)等于截面上氣體全部能量（壓力能、位能、動(dòng)能之和）加上氣體從截面流到截面的能量損失，即

26、：p1+gz1+v12=p2+gz2+v22+Kv2,該式即為氣體的伯努利方程。伯努利方程也可用壓頭形式表示。當(dāng)流動(dòng)氣體管外是靜止空氣時(shí)，根據(jù)上式可分別列出如下兩個(gè)方程：管內(nèi)：pg1+ggz1+0.5gv12=pg2+ggz2+0.5gv22+0.5Kgv2 （1）管外：pa1+agz1=pa2+agz2 （2）(1)-(2)得：(pg1-pa1)+(g-a)gz1+gv12=(pg2-pa2)+(g-a)gz2+gv22+Kgv2即：hs1+hp1+hd1=hs2+hp2+hd2+hl討論：1）伯努利方程不僅說明能量守恒，還說明壓力能、位能、動(dòng)能間可相互轉(zhuǎn)化。2）氣體流動(dòng)過程中，任一壓頭增大

27、必然導(dǎo)致其它壓頭減小，但總壓頭保持不變。3）對(duì)波動(dòng)不大的氣體流動(dòng)，可近似看成穩(wěn)定流動(dòng)，應(yīng)用伯努利方程引起的誤差較小。2.爐氣通過小孔溢氣流量：應(yīng)用設(shè)熱處理爐上有一小孔，孔兩側(cè)取兩個(gè)截面，截面取在爐內(nèi)，截面取在爐外。因爐膛面積遠(yuǎn)大于小孔面積，根據(jù)流速與截面積成反比，可認(rèn)為v1=0。因小孔是等截面孔，所以小孔內(nèi)氣體流速v=v2，因?yàn)闅饬魇撬降?，所以z1=z2。假設(shè)爐外氣流壓力等于大氣壓pa，即pa1=pg2=pa2= pa，代入伯努利方程得：（pg1- pa1）+（g-a）gz1+gv12=（pg2 - pa2）+（g-a）gz2+gv22+Kgv2因?yàn)椋海╣-a）gz1=（g-a）gz2，gv

28、12=0，（pg2 - pa2）=0所以：（pg- pa）=gv22+Kgv22，即：v2= 因?yàn)椋簆g-pa=（a-g）gH，式中H為小孔中心到零壓面距離，所以：v2= 因?yàn)椋簹怏w流量等于流速與氣流截面積的積，所以：qv=f2v2=f = f，式中：為流量系數(shù)，孔徑很小時(shí)取0.82。3.通過敞開爐門的溢氣和吸氣爐門洞與小孔的區(qū)別在于沿爐門洞高度爐氣靜壓頭是變化的，若將爐門洞沿高度分成若干平行的小縫，則每個(gè)小縫的溢氣量可按公式qv= f2（a-g）gH /g1/2計(jì)算。設(shè)爐門洞高H，寬B，在距爐底（零壓面）為z處取微縫df=Bdz，則通過微縫的溢氣量為：dqvt=.df. =.Bz1/2dz積

29、分得：qvt=.B.H,為整個(gè)爐門洞的平均流量系數(shù)，一般取0.65-0.7。討論：1）上式僅適用于零壓面在爐底、爐門完全打開情況；2）當(dāng)零壓面不在爐底、爐門未完全打開時(shí)，用零壓面到爐門開啟高度的距離代入上式中計(jì)算爐門溢氣量；3）若是吸氣，流動(dòng)氣體為空氣，若H為爐門口底面到零壓面之間距離，則爐門洞打開時(shí)吸氣量為：qvt=. .B.H 。例題1.1：某熱處理爐，爐門洞高0.6米，寬0.8米，爐氣溫度900ºC，爐外空氣溫度20ºC，已知=0.65。求：1）零壓面在爐底時(shí)，每秒鐘通過爐門洞的溢氣量；2）零壓面在爐門洞水平中心線時(shí)，爐門洞上部每秒鐘的溢氣量和下部每秒鐘的吸氣量。解：

30、1）由t=0/（1+t）得：20/900=（1+900/273）/（1+20/273）=4，代入qvt=2/3. .B.H2（a-g）gH /g1/2得：qvt=2/3×0.65×0.6×0.8×2×(4-1)×9.8×0.61/2=1.24m3/s2)溢氣量qvt=2/3×0.65×0.3×0.8×2×(4-1)×9.8×0.31/2=0.44m3/s900/20=0.25，由qvt=2/3. .B.H2（a-g）gH /a1/2得：吸氣量qvt=2/3×0.65×0.8×0.3×2（1-0.25）×9.8×0.31/2=0.22m3/s五、熱處理爐爐氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力和形態(tài)應(yīng)用（補(bǔ)充內(nèi)容）爐氣運(yùn)動(dòng)影響加熱效果，爐氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于驅(qū)動(dòng)爐氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力及爐膛形狀結(jié)構(gòu)?？偟膩碇v，爐氣運(yùn)動(dòng)動(dòng)力是由爐內(nèi)不同部位爐氣存在能量差異即存在靜壓能、位能或動(dòng)能差造成的。常見的有以下幾種情況：1.電阻爐內(nèi)各部位因存在溫度差而產(chǎn)生的自然對(duì)流：自然對(duì)流：指爐內(nèi)不同部位存在溫差，造成各部位爐氣密度