第一章熱處理設(shè)備概述-課一

1、13:15:511熱處理設(shè)備熱處理設(shè)備主講主講教師：教師：范濤范濤北華航天工業(yè)學(xué)院北華航天工業(yè)學(xué)院 金屬材料工程教研室金屬材料工程教研室13:15:512教材與教參教材與教參l1.使用教材 熱處理爐，吉澤升等編，哈爾濱工程大學(xué)出版社，1999.1l2.主要參考書 熱處理手冊(cè) 第三卷 熱處理設(shè)備和工輔材料 （第四版)，中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)編，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.1新編熱處理設(shè)備選型設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)，徐寶亮編，中國知識(shí)出版社，2005.11熱處理爐（第1版），曾祥模編，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1996.713:15:513（一）對(duì)熱處理常用設(shè)備有一個(gè)概括的了解，（一）對(duì)熱處理常用設(shè)備有一個(gè)概括

2、的了解，掌握熱處理爐傳熱的基本方式、掌握熱處理爐傳熱的基本方式、一般條件及爐內(nèi)綜合傳熱與應(yīng)用一般條件及爐內(nèi)綜合傳熱與應(yīng)用。（二）掌握常用熱處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理與用途。（二）掌握常用熱處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理與用途。（三）掌握一般結(jié)構(gòu)簡單的熱處理爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法。（三）掌握一般結(jié)構(gòu)簡單的熱處理爐的設(shè)計(jì)內(nèi)容與方法。（四）（四）了解熱處理爐節(jié)能與改造方面的有關(guān)知識(shí)及爐溫儀表、熱控制了解熱處理爐節(jié)能與改造方面的有關(guān)知識(shí)及爐溫儀表、熱控制 。熱處理設(shè)備熱處理設(shè)備是金屬材料工程專業(yè)的一門應(yīng)用性較強(qiáng)的必修專業(yè)課，考試課。是金屬材料工程專業(yè)的一門應(yīng)用性較強(qiáng)的必修專業(yè)課，考試課。 使學(xué)生掌握有關(guān)熱

3、處理設(shè)備的知識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、選擇和應(yīng)用熱使學(xué)生掌握有關(guān)熱處理設(shè)備的知識(shí)，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、選擇和應(yīng)用熱處理設(shè)備的能力。處理設(shè)備的能力。本課程的性質(zhì)：本課程的性質(zhì)：本課程的任務(wù)：本課程的任務(wù)：通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)達(dá)到的要求：通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)達(dá)到的要求： 本課程的重要性：本課程的重要性： 熱處理設(shè)備指用于實(shí)施熱處理工藝的裝備，隨著科技的發(fā)展，在冶金、機(jī)械、航空、航天、船舶等工業(yè)生產(chǎn)中，需要進(jìn)行熱處理的零件和工具日益增多，熱處理爐是實(shí)現(xiàn)熱處理工藝的主要設(shè)備，沒有先進(jìn)的熱處理爐就不能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的熱處理工藝，熱處理工藝的現(xiàn)代化，實(shí)質(zhì)是熱處理設(shè)備（主要是熱處理爐）的現(xiàn)代化。13:15:514這些產(chǎn)

4、品都需這些產(chǎn)品都需要進(jìn)行熱處理要進(jìn)行熱處理13:15:515C 基礎(chǔ)性C 綜合性C 實(shí)踐性C 發(fā)展性13:15:516l 總學(xué)時(shí)：46l 理論教學(xué)時(shí)間：01-15周l 周學(xué)時(shí)：3l 試驗(yàn)：4學(xué)時(shí)l 考核形式：考試l 考試時(shí)間：20周13:15:517G重視課堂教學(xué)A按時(shí)上課，做好筆記B課堂保持安靜13:15:518 熱處理是提高機(jī)械零件質(zhì)量和延長使用壽命的關(guān)鍵工序， 也是充分發(fā)揮金屬材料潛力、 節(jié)約材料的有效途徑。正確地選擇材料， 合理地進(jìn)行熱處理， 不僅可以充分減少廢品， 而且可以顯著提高機(jī)器零件和模具使用壽命。而任何一種熱處理工藝，只有通過相應(yīng)的設(shè)備才能得以實(shí)現(xiàn)。 熱處理爐是實(shí)現(xiàn)金屬熱處理

5、工藝的主要要設(shè)備，沒有先進(jìn)的熱處理爐就不能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的熱處理工藝，要實(shí)現(xiàn)熱處理技術(shù)的現(xiàn)代化，需要靠熱處理設(shè)備的現(xiàn)代化來保證。即熱處理設(shè)備的先進(jìn)與否更是決定熱處理工藝的重要因素。第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述13:15:519l現(xiàn)代熱處理設(shè)備包括：大型連續(xù)生產(chǎn)線，密封箱式多用爐生產(chǎn)線，真空及無人化感應(yīng)加熱設(shè)備l國外: (1)以電能為熱源的增多，油和煤氣爐比例逐漸減少 (2)對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求更為嚴(yán)格，可控氣氛熱處理爐和真空爐占重要地位 (3)爐襯趨向輕質(zhì)材料，在電阻爐上應(yīng)用非金屬爐用耐熱構(gòu)件和發(fā)熱元件的比例逐漸增加 (4)微機(jī)和PLC的發(fā)展加速了熱處理自動(dòng)化，并有與其它工序組成全自動(dòng)熱

6、處理線的趨勢(shì)。l我國熱處理技術(shù)比較落后，體現(xiàn)在裝備水平的落后上，大多為5070年代的仿蘇產(chǎn)品，周期式爐多，連續(xù)式爐少，效率低，能耗大，空氣爐多，氣氛爐少，工件氧化脫碳嚴(yán)重，質(zhì)量不易保證，自動(dòng)化程度低，人為因素影響大，質(zhì)量不穩(wěn)定，鹽浴爐比重相當(dāng)大，勞動(dòng)條件差，污染嚴(yán)重，一半以上的設(shè)備超過三十年，且年久失修，熱效率低，散熱嚴(yán)重，成本高。l相對(duì)于先進(jìn)工業(yè)國家仍有相當(dāng)大的差距第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述13:15:5110可控氣氛多用爐生產(chǎn)線箱式可控回火爐 箱式可控氣氛多用爐網(wǎng)帶式可控氣氛多用爐 高溫型可控氣氛多用爐 多用爐生產(chǎn)線由加熱爐、清洗機(jī)、回火爐、推拉車、準(zhǔn)備臺(tái)、完成臺(tái)、中繼臺(tái)、電

7、控柜、滴注灌、深冷爐等設(shè)備根據(jù)用戶需要及產(chǎn)量需求可布置成各種不同組合的生產(chǎn)線13:15:5111l生產(chǎn)設(shè)備與世界先進(jìn)水平有20-30年之差距。專業(yè)化熱處理工廠數(shù)目與美國相比相差35倍，生產(chǎn)效率比美國低26倍、設(shè)備利用率僅為30%，電耗卻高于美國的40%，其電耗平均每噸比日本和歐美要多23倍。l熱處理帶來的環(huán)境污染問題十分嚴(yán)重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國熱處理業(yè)每年約有 5000噸淬火油因蒸發(fā)或局部燃燒造成CH化合物、CO及煙塵；有約9000噸廢淬火油因排放不當(dāng)而污染水質(zhì)；每年鹽浴爐生成鹽蒸汽7000噸以上；有害廢渣約10000噸；燃煤爐窯排放SO2約1.5萬噸，灰分約8.5萬噸；噴砂處理中產(chǎn)生的SiO2

8、等有害粉塵10000噸，嚴(yán)重污染了環(huán)境。l由于生產(chǎn)設(shè)備和規(guī)模的落后，我國熱處理生產(chǎn)耗能巨大而利潤并不高約為美國的1/30，年?duì)I業(yè)額約為美國的1/25。13:15:5212l1.改進(jìn)爐膛結(jié)構(gòu)，合理布置加熱元件，以改善加熱質(zhì)量l2.采用新型爐體材料，提高加熱效率l3.提高自動(dòng)化程度，采用連續(xù)式爐或聯(lián)合機(jī)，以穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)條件l4.拓寬真空技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)行無氧加熱，提高產(chǎn)品質(zhì)量第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述優(yōu)質(zhì)（設(shè)備優(yōu)良、工藝先進(jìn)、管理科學(xué)化）、高效（ 設(shè)備、管理）、低耗（設(shè)備、 工藝、 管理）、清潔（勞動(dòng)環(huán)境 、自然環(huán)境）、靈活（協(xié)作生產(chǎn)）13:15:5213

9、第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述13:15:5214l1.3.1主要設(shè)備主要設(shè)備l1.熱處理爐：有爐膛的加熱設(shè)備：箱式爐、井式、臺(tái)車、真空爐l2.加熱裝置：熱源直接對(duì)工件加熱的裝置：高頻、中頻、火焰加熱l3.表面改性裝置：氣相沉積多弧鍍膜機(jī)、離子注入機(jī)第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述l4.表面氧化裝置；發(fā)藍(lán)槽、發(fā)黑槽l5.表面機(jī)械強(qiáng)化裝置：拋（噴）丸機(jī)、輥壓機(jī)l6.淬火冷卻設(shè)備：冷卻水、油槽、緩冷罐、噴淬器、壓力淬火機(jī)l7.冷處理設(shè)備：冷凍機(jī)、液氮、干冰冷卻裝置l8工藝參數(shù)測(cè)控儀表：測(cè)控溫度、碳氮?jiǎng)?、壓力、流量碳控儀碳控儀感應(yīng)加熱表面淬火機(jī)床感應(yīng)加熱表面淬火機(jī)床13:15:52

10、15l1.3.2熱處理輔助設(shè)備熱處理輔助設(shè)備l1.清洗機(jī)、清理裝置：對(duì)熱處理前后工件進(jìn)行清洗的冷熱水槽、噴砂機(jī)、超聲清洗機(jī)、脫脂爐 、酸洗槽、滾筒l2.爐氣氛制備裝置：吸、放熱式發(fā)生器，氨分解器、制氮機(jī)l3.淬火介質(zhì)循環(huán)裝置：儲(chǔ)液槽、過濾器、輸送泵、冷卻器、冷水機(jī)l4.起重運(yùn)輸設(shè)備：天車、起重機(jī)、運(yùn)輸車、傳送鏈l5.動(dòng)力輸送管路及輔助設(shè)備：管路、風(fēng)機(jī)泵、儲(chǔ)氣（液）罐l6.防火、除塵等安全設(shè)備：防火噴霧器、抽風(fēng)機(jī)、廢氣反應(yīng)槽l另外，還需校正設(shè)備、各種工具、夾具第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述13:15:5216分類原則爐 型熱源電阻爐、燃料爐、煤氣爐、油爐、煤爐工作溫度高、中、低溫爐 爐

11、膛形式箱、井、罩、管、貫通、轉(zhuǎn)底式爐 工藝用途退、淬、回火爐 、滲碳、氮爐、實(shí)驗(yàn)爐作業(yè)方式間歇、連續(xù)、脈動(dòng)式爐使用介質(zhì)空氣、火焰、可控氣氛、鹽、油、鉛浴爐、真空爐 機(jī)械形式 臺(tái)車、推桿、輸送帶、滾、振、升降底、步進(jìn)式爐第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述13:15:5217第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述13:15:5218第一章熱處理設(shè)備概述第一章熱處理設(shè)備概述13:15:521913:15:532013:15:5321連續(xù)式熱處理爐13:15:5322啟動(dòng)電阻啟動(dòng)電阻啟動(dòng)電阻啟動(dòng)電阻13:15:542313:15:542413:15:542513:15:5426 傳熱或換熱：傳

12、熱或換熱： 熱量從一物體傳向另一物體或由同一物體的某一部分熱量從一物體傳向另一物體或由同一物體的某一部分 傳向另一部傳向另一部分的過程。分的過程。 條件：條件：物體間或同一物體內(nèi)部只有存在溫度差時(shí)，才會(huì)發(fā)生熱量的傳遞。物體間或同一物體內(nèi)部只有存在溫度差時(shí)，才會(huì)發(fā)生熱量的傳遞。熱處理爐內(nèi)進(jìn)行的熱傳遞過程是由熱處理爐內(nèi)進(jìn)行的熱傳遞過程是由傳導(dǎo)傳導(dǎo)、對(duì)流對(duì)流、輻射輻射三種基本傳熱三種基本傳熱形式組成的綜合傳熱過程。形式組成的綜合傳熱過程。1.5 1.5 熱處理爐的傳熱原理熱處理爐的傳熱原理 13:15:5427 物體間通過輻射進(jìn)行的熱能傳遞過程，稱為輻射傳熱。物體間通過輻射進(jìn)行的熱能傳遞過程，稱為輻

13、射傳熱。 特點(diǎn)：輻射不需任何介質(zhì)，傳熱過程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，即特點(diǎn)：輻射不需任何介質(zhì)，傳熱過程中伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，即從熱能到輻射能以及從輻射能又轉(zhuǎn)化為熱能。從熱能到輻射能以及從輻射能又轉(zhuǎn)化為熱能。 溫度不同的接觸物體間或一物體中各部分之間熱能的溫度不同的接觸物體間或一物體中各部分之間熱能的傳遞過程，稱為傳導(dǎo)傳熱。傳遞過程，稱為傳導(dǎo)傳熱。 流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移和相互混合而發(fā)生的熱量傳遞，叫對(duì)流傳熱流體質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移和相互混合而發(fā)生的熱量傳遞，叫對(duì)流傳熱。特點(diǎn)：傳熱過程中，既有流體質(zhì)點(diǎn)的導(dǎo)熱作用，又有流體質(zhì)點(diǎn)位。特點(diǎn)：傳熱過程中，既有流體質(zhì)點(diǎn)的導(dǎo)熱作用，又有流體質(zhì)點(diǎn)位移產(chǎn)生的對(duì)流作用。移產(chǎn)生的對(duì)流作用

14、。一、傳熱的基本形式一、傳熱的基本形式1.1.傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱2.2.對(duì)流傳熱對(duì)流傳熱3.3.輻射傳熱輻射傳熱流體中有相對(duì)位移和混合，或流體與固體表面接觸，如：浴、回火爐無宏觀的質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)，液體中：分子振動(dòng)；氣體中：分子、原子擴(kuò)散；金屬中：自由電子的運(yùn)動(dòng)輻射能電磁波熱能（中、高溫爐）13:15:5428 用來描述物體中溫度的分布情況，是空間坐用來描述物體中溫度的分布情況，是空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)的函數(shù)標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)的函數(shù),即即)11(,(）zyxft式中：式中：x，y，z，該點(diǎn)的空間坐標(biāo)該點(diǎn)的空間坐標(biāo); 時(shí)間坐標(biāo)。時(shí)間坐標(biāo)。二、溫度場(chǎng)與溫度梯度二、溫度場(chǎng)與溫度梯度1.1.溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)若物體的溫度沿若

15、物體的溫度沿x、y、z三個(gè)方向都有變化，三個(gè)方向都有變化，稱稱三向溫度場(chǎng)三向溫度場(chǎng)；13:15:5429 單向溫度場(chǎng)：單向溫度場(chǎng)：物體溫度物體溫度只在一個(gè)方向上有變化，即：只在一個(gè)方向上有變化，即： 如長時(shí)間恒溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。如長時(shí)間恒溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。不穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)不穩(wěn)定態(tài)溫度場(chǎng)：物體各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化而變化，物體各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化而變化，如升溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。如升溫狀態(tài)下爐壁的傳熱。穩(wěn)定溫度場(chǎng)：穩(wěn)定溫度場(chǎng)：物體各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化。這時(shí)溫度分布物體各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間變化。這時(shí)溫度分布函數(shù)簡化為：函數(shù)簡化為：t = f (x，) （-）) 31 (0),(tzyxft及13:1

16、5:5430 在溫度場(chǎng)內(nèi)，物體在溫度場(chǎng)內(nèi)，物體(或體系內(nèi)或體系內(nèi))相鄰兩等溫面間的溫度相鄰兩等溫面間的溫度差差t與兩等溫面法線方向的距離與兩等溫面法線方向的距離n的比例極限，稱為溫的比例極限，稱為溫度梯度。用下式來表示度梯度。用下式來表示:) 41 (/lim0mntntgradtn 溫度梯度是表示溫度變化的一個(gè)向量，其數(shù)值等于在溫度梯度是表示溫度變化的一個(gè)向量，其數(shù)值等于在和等溫面相垂直的單位距離上溫度變化值，并規(guī)定和等溫面相垂直的單位距離上溫度變化值，并規(guī)定由低到由低到高為正，由高到低為負(fù)。高為正，由高到低為負(fù)。 2 2溫度梯度溫度梯度13:15:5431 熱流：熱流：Q 單位時(shí)間內(nèi)由高溫

17、物體傳給低溫物體的熱量叫熱流單位時(shí)間內(nèi)由高溫物體傳給低溫物體的熱量叫熱流或熱流量，用表示，或熱流量，用表示， Q= t F （W）。）。 熱流密度熱流密度：q 單位時(shí)間內(nèi)通過單位傳熱面積的熱流，稱為熱流密單位時(shí)間內(nèi)通過單位傳熱面積的熱流，稱為熱流密度，用度，用q表示，單位為表示，單位為w/m2，即：，即：51/2mWFq 熱流、熱流密度都為向量，其方向與溫度梯度方向相反熱流、熱流密度都為向量，其方向與溫度梯度方向相反 。三、熱流和熱流密度三、熱流和熱流密度13:15:5432 對(duì)于均勻的、各向同性的固體，單位時(shí)間通過單對(duì)于均勻的、各向同性的固體，單位時(shí)間通過單位面積的熱量，與垂直該截面方向的溫

18、度梯度成正比。位面積的熱量，與垂直該截面方向的溫度梯度成正比。61/2mWdndtFq式中式中:沿沿n方向的熱流量方向的熱流量(W); q熱流密度熱流密度(w/ m2 ); F與熱流方向垂直的傳熱面積與熱流方向垂直的傳熱面積(m2); 比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率W/(m ); 溫度梯度溫度梯度(/m)。負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相。負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反（反（16）式為導(dǎo)熱基本方程式，即）式為導(dǎo)熱基本方程式，即傅立葉定律傅立葉定律。dndt1.5.1 1.5.1 傳導(dǎo)傳熱傳導(dǎo)傳熱一、傳導(dǎo)傳熱的基本方程式一、傳導(dǎo)傳熱的基本方程式13:15:5433 熱導(dǎo)率是反映物體

19、導(dǎo)熱能力大小的參數(shù)。熱導(dǎo)率是反映物體導(dǎo)熱能力大小的參數(shù)。其其物理意義為在單位時(shí)間內(nèi)，每米長溫度降低物理意義為在單位時(shí)間內(nèi)，每米長溫度降低1時(shí)時(shí)，單位面積能傳遞的熱流量，用，單位面積能傳遞的熱流量，用表示，單位為表示，單位為W/(m )。 金屬的導(dǎo)熱系數(shù)與金屬的純度和溫度有關(guān)，雜金屬的導(dǎo)熱系數(shù)與金屬的純度和溫度有關(guān)，雜質(zhì)愈多，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之降低。純鐵比碳鋼導(dǎo)熱質(zhì)愈多，導(dǎo)熱系數(shù)也隨之降低。純鐵比碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)大，碳鋼又比合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大系數(shù)大，碳鋼又比合金鋼的導(dǎo)熱系數(shù)大(合金鋼加合金鋼加熱時(shí)保溫時(shí)間長的原因熱時(shí)保溫時(shí)間長的原因)。二、熱導(dǎo)率（二、熱導(dǎo)率（也叫導(dǎo)熱系數(shù)）也叫導(dǎo)熱系數(shù)） 13:15:5

20、434即：即： t =0 + bt W/(m )（）（）式中式中: t t時(shí)材料的熱導(dǎo)率時(shí)材料的熱導(dǎo)率; 0 0時(shí)材料的熱導(dǎo)率時(shí)材料的熱導(dǎo)率; b材料的熱導(dǎo)率溫度系數(shù)，因材料而異?？刹楸聿牧系臒釋?dǎo)率溫度系數(shù)，因材料而異?？刹楸淼玫降玫?。實(shí)際計(jì)算中，一般取物體算術(shù)平均溫度下的熱導(dǎo)率代表物體熱導(dǎo)實(shí)際計(jì)算中，一般取物體算術(shù)平均溫度下的熱導(dǎo)率代表物體熱導(dǎo)率的平均值。率的平均值。 溫度升高時(shí)大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)降低。溫度升高時(shí)大多數(shù)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)降低。材料的熱導(dǎo)率與溫度的變化呈線性關(guān)系。材料的熱導(dǎo)率與溫度的變化呈線性關(guān)系。13:15:5435 在平壁內(nèi)取一單元薄層，其厚度在平壁內(nèi)取一單元薄層，其厚度為為

21、d x,兩側(cè)的溫度差為兩側(cè)的溫度差為t,則通過此單則通過此單元層的熱流密度為元層的熱流密度為:dxdtq1 1單層平壁爐墻的導(dǎo)熱單層平壁爐墻的導(dǎo)熱 圖圖1-1所示所示 單層平壁爐墻的單層平壁爐墻的壁厚為壁厚為S，材料的導(dǎo)熱系數(shù)為，材料的導(dǎo)熱系數(shù)為，平壁兩側(cè)表面溫度各為，平壁兩側(cè)表面溫度各為t1與與t2，且，且t1t2，并保持恒定，平壁溫度只沿垂直于平壁面，并保持恒定，平壁溫度只沿垂直于平壁面的的x軸方向發(fā)生變化，所有等溫面都是平面軸方向發(fā)生變化，所有等溫面都是平面,且垂直于且垂直于x軸軸,（屬于單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱屬于單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱）。）。三、平壁爐墻的導(dǎo)熱三、平壁爐墻的導(dǎo)熱13:15:5436 由

22、上式可知，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位平壁面積所傳遞由上式可知，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位平壁面積所傳遞的熱量是與導(dǎo)熱系數(shù)的熱量是與導(dǎo)熱系數(shù)及兩表面的溫度差成正比，而與平及兩表面的溫度差成正比，而與平壁厚度壁厚度s成反比。成反比。）（）（故熱流密度：得：將上式積分：分離變量后：81/22121021mWsttqsqttdxqdtdxqdttts13:15:5437 若平壁爐墻的面積為若平壁爐墻的面積為F，而且內(nèi)外表面積相等，則在，而且內(nèi)外表面積相等，則在1小時(shí)內(nèi)通過小時(shí)內(nèi)通過F面積所傳導(dǎo)的熱流量面積所傳導(dǎo)的熱流量Q為：為： 在在1-8式中，式中，S/為單位面積的為單位面積的平壁熱阻平壁熱阻，1-9式中式中S

23、/(F)是面積為是面積為F的平壁熱阻。由此可見，熱流量與溫度差的平壁熱阻。由此可見，熱流量與溫度差(t1-t2 )成正比，與熱阻成正比，與熱阻S/(F)成反比。成反比。(與歐姆定律類似與歐姆定律類似) 實(shí)際的平壁爐墻實(shí)際的平壁爐墻(如箱式爐爐墻如箱式爐爐墻)面積并非很大，而且其內(nèi)外表面積并非很大，而且其內(nèi)外表面積也不相等，因而它的導(dǎo)熱面積是變化的。這時(shí)上式中的導(dǎo)熱面面積也不相等，因而它的導(dǎo)熱面積是變化的。這時(shí)上式中的導(dǎo)熱面積應(yīng)該用平均面積代替，可按如下方法近似計(jì)算。積應(yīng)該用平均面積代替，可按如下方法近似計(jì)算。9121）（WFsttqF13:15:5438）內(nèi)、外表面積（分別為單層平壁爐墻的、式

24、中：（）（即時(shí)，用幾何平均面積，當(dāng)）（）（即時(shí)，用算術(shù)平均面積，當(dāng)2121122112)111210122FFFFFFFFFFFF 一般熱處理爐的爐墻，大多為兩層或三層不同材料砌成的一般熱處理爐的爐墻，大多為兩層或三層不同材料砌成的(圖圖1-2)，設(shè)爐墻界面溫度依次為，設(shè)爐墻界面溫度依次為t1,t2,t3,t4( t1t2t3t4)，各層厚度為，各層厚度為S1、S2、S3，若各層間緊密接觸，各層的熱導(dǎo)率用，若各層間緊密接觸，各層的熱導(dǎo)率用1、2、3表示。表示。2 2多層平壁爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱多層平壁爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱13:15:5439在穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，通過平壁爐墻各層的熱流或熱流密度應(yīng)在穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱時(shí)，

25、通過平壁爐墻各層的熱流或熱流密度應(yīng)相等。根據(jù)前面公式可分別寫出通過各層的熱流密度：相等。根據(jù)前面公式可分別寫出通過各層的熱流密度： 由上述三個(gè)方程，可求出三個(gè)未知量由上述三個(gè)方程，可求出三個(gè)未知量q，t2，和，和t3。由于。由于是溫度的函數(shù)，由式（是溫度的函數(shù)，由式（a）-（c）經(jīng)運(yùn)）經(jīng)運(yùn)算得通過三層爐墻的算得通過三層爐墻的q為為t1,t2,t3,t4( t1t2t3t4)1、2、3）（）（第三層：）（）（第二層：）（）（第一層：cttsqbttsqattsq433333222221111因?yàn)橐驗(yàn)閝1=q2=q3=q，13:15:5540同理，同理，n 層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式層平壁爐墻的導(dǎo)熱公式

26、）（）（121/33221141Wsssttq）（）（131/2221111mWnsssttqnn13:15:5541若多層爐墻的總熱阻已知，則各層間的界面溫度若多層爐墻的總熱阻已知，則各層間的界面溫度可由下式求得：可由下式求得：）（）（141 (111122111221112211122231112 niiinnnsqtsssqttssqtsqsqtsqttsqtt13:15:5542）151(221111Fsssttnnn 在求界面溫度時(shí)，必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先假設(shè)一界面在求界面溫度時(shí)，必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先假設(shè)一界面溫度，然后根據(jù)假設(shè)溫度算出各層的溫度，然后根據(jù)假設(shè)溫度算出各層的值及總熱阻值及總熱阻，再

27、代人上式求出界面溫度。，再代人上式求出界面溫度。 如果計(jì)算的界面溫度和假設(shè)的界面溫度相差較如果計(jì)算的界面溫度和假設(shè)的界面溫度相差較小小 (5%)即可采用。如果相差大于即可采用。如果相差大于5%，應(yīng)重新假，應(yīng)重新假設(shè)，再進(jìn)行計(jì)算，直到誤差小于設(shè)，再進(jìn)行計(jì)算，直到誤差小于5 %為止。為止。 如果多層平壁爐墻各層面積相等時(shí)如果多層平壁爐墻各層面積相等時(shí)(均為均為F），），其傳熱量公式為其傳熱量公式為:13:15:5543若各層面積不等，其傳熱量計(jì)算公式為若各層面積不等，其傳熱量計(jì)算公式為: 式中式中F1、F2Fn分別為各層的平均面積。若分別為各層的平均面積。若多層平壁各層分界面的表面積分別多層平壁各

28、層分界面的表面積分別f1、f2 、f 3和和fn+1時(shí)，時(shí)， 則各層的平均面積可采用算術(shù)平均值或則各層的平均面積可采用算術(shù)平均值或幾何平均值。幾何平均值。）151 (22211111nnnnFsFsFstt 21nnnffF1nnnffF13:15:5544 四、圓筒爐墻的導(dǎo)熱四、圓筒爐墻的導(dǎo)熱 1.單層圓筒壁爐墻的導(dǎo)熱單層圓筒壁爐墻的導(dǎo)熱 設(shè)有一井式加熱爐，高度為設(shè)有一井式加熱爐，高度為L，內(nèi)外，內(nèi)外半徑分別為半徑分別為r1和和r2，內(nèi)外表面溫度為，內(nèi)外表面溫度為t1和和t2，導(dǎo)熱系數(shù)為，導(dǎo)熱系數(shù)為。在。在r1與與r2之間的任意處之間的任意處r取一薄層，厚度為取一薄層，厚度為d r,其兩側(cè)溫

29、度差為其兩側(cè)溫度差為dt,該層面積為該層面積為2rL(圖圖1-3)。根據(jù)導(dǎo)熱方程式在單位時(shí)間內(nèi)通過此薄層所傳導(dǎo)的熱。根據(jù)導(dǎo)熱方程式在單位時(shí)間內(nèi)通過此薄層所傳導(dǎo)的熱量為量為:）（）（）（整理得：得：積分：分離變量后：）（171ln2ln2221612211212212121WttrrLQrrLQttrdrLQdtrdrLQdtdrdtrLdrdtFQrrtt13:15:5545 從上式看出，圓筒壁的導(dǎo)熱量與爐墻材料的導(dǎo)熱系從上式看出，圓筒壁的導(dǎo)熱量與爐墻材料的導(dǎo)熱系數(shù)、圓筒壁的高度和溫度差成正比，而與內(nèi)外半徑比值的數(shù)、圓筒壁的高度和溫度差成正比，而與內(nèi)外半徑比值的自然對(duì)數(shù)成反比。自然對(duì)數(shù)成反比。

30、如果如果是常數(shù)，則沿爐壁內(nèi)部的溫度變是常數(shù)，則沿爐壁內(nèi)部的溫度變化呈對(duì)數(shù)曲線，這點(diǎn)與平壁導(dǎo)熱不同。化呈對(duì)數(shù)曲線，這點(diǎn)與平壁導(dǎo)熱不同。 另外，如果另外，如果r2/r12,可將圓筒展開當(dāng)作平壁進(jìn)行計(jì)算，可將圓筒展開當(dāng)作平壁進(jìn)行計(jì)算，這時(shí)內(nèi)外半徑可按算術(shù)平均值計(jì)算，即這時(shí)內(nèi)外半徑可按算術(shù)平均值計(jì)算，即(r1+ r2)/2，內(nèi)外圓，內(nèi)外圓筒壁的表面積的平均值為筒壁的表面積的平均值為: 用算術(shù)平均值計(jì)算的用算術(shù)平均值計(jì)算的F均均,求出的值稍大些，但不超過求出的值稍大些，但不超過4 % 。為了便于與。為了便于與傳熱一般方程和平壁爐墻的導(dǎo)熱公式進(jìn)行比較，上式可改寫成傳熱一般方程和平壁爐墻的導(dǎo)熱公式進(jìn)行比較，

31、上式可改寫成）（均212122rrLLrrF13:15:5546）（）（）（）（181ln22ln22121121221121212WFsttttFFFFsttLrLrrrLrr 式中，式中，F(xiàn)=（F2一一F1)/ln 它是圓筒爐墻的對(duì)數(shù)平均面它是圓筒爐墻的對(duì)數(shù)平均面積，其中積，其中F2 、F1，分別為內(nèi)外表面積，分別為內(nèi)外表面積，S為單層圓筒爐墻為單層圓筒爐墻的厚度。這時(shí)圓筒爐墻內(nèi)的溫度分布按對(duì)數(shù)規(guī)律變化。的厚度。這時(shí)圓筒爐墻內(nèi)的溫度分布按對(duì)數(shù)規(guī)律變化。 考慮到實(shí)際爐墻的熱導(dǎo)率隨溫度呈線性變化，這時(shí)上考慮到實(shí)際爐墻的熱導(dǎo)率隨溫度呈線性變化，這時(shí)上式中式中也可用熱導(dǎo)率平均值代入。（也可用熱導(dǎo)率

32、平均值代入。（均均 =0+bt 均均） 由此可見，圓筒爐墻和平壁爐墻傳導(dǎo)傳熱熱流量的計(jì)由此可見，圓筒爐墻和平壁爐墻傳導(dǎo)傳熱熱流量的計(jì)算公式在形式上完全相同。算公式在形式上完全相同。 12FF12FF）（WFsttqF2113:15:5547 對(duì)于由對(duì)于由n層組成的多層圓筒爐墻，若已知其內(nèi)外表層組成的多層圓筒爐墻，若已知其內(nèi)外表面的恒定溫度分別為面的恒定溫度分別為t1和和t n+1，（，（t1tn+1)，各層的內(nèi)外，各層的內(nèi)外半徑以及各層的材料和圓筒爐墻的高度半徑以及各層的材料和圓筒爐墻的高度L也已知，并假也已知，并假定各層間緊密接觸，求通過定各層間緊密接觸，求通過n層圓筒爐墻的導(dǎo)熱熱流及層圓筒

33、爐墻的導(dǎo)熱熱流及各交界面溫度。各交界面溫度。 這也是個(gè)單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問題，多層圓筒壁爐墻的這也是個(gè)單向穩(wěn)定態(tài)導(dǎo)熱問題，多層圓筒壁爐墻的導(dǎo)熱根據(jù)單層圓筒壁的導(dǎo)熱公式推演方法，可求出多層導(dǎo)熱根據(jù)單層圓筒壁的導(dǎo)熱公式推演方法，可求出多層圓筒壁的導(dǎo)熱公式為圓筒壁的導(dǎo)熱公式為: ）（）（）（191 (ln12ln1ln1ln121111123212111WrrttLrrrrrrttLniiiinnnnn 2.2.多層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱多層圓筒爐墻的穩(wěn)定導(dǎo)熱13:15:5548如果圓筒爐墻各層的內(nèi)外高度不等，則熱流量用下式計(jì)算如果圓筒爐墻各層的內(nèi)外高度不等，則熱流量用下式計(jì)算 式中，式中，Si /i Fi

34、為第為第i層圓筒爐墻的熱阻，其計(jì)算方法層圓筒爐墻的熱阻，其計(jì)算方法與單層圓筒爐墻相同。由此可見，和多層平壁爐墻一樣，與單層圓筒爐墻相同。由此可見，和多層平壁爐墻一樣，多層圓筒爐墻的總熱阻等于各層爐墻熱阻之和。各層的界多層圓筒爐墻的總熱阻等于各層爐墻熱阻之和。各層的界面溫度按式面溫度按式(1一一14)計(jì)算，但這時(shí)公式中各層的熱阻為圓計(jì)算，但這時(shí)公式中各層的熱阻為圓筒爐墻各層的熱阻。筒爐墻各層的熱阻。）（）（201 (ln1ln1ln1211112322121111WFsttrrLrrLrrLttniiiinnnnnn 13:15:5549式中式中L1、L2 . L n為圓筒壁各層的平均高度。圓為

35、圓筒壁各層的平均高度。圓筒壁各層的交界面溫度可按下式計(jì)算筒壁各層的交界面溫度可按下式計(jì)算:）（）（111232212111232212111232223121112ln1ln1ln12ln1ln12ln2ln2 nnnnnrrLrrLrrLttrrLrrLtrrLttrrLtt13:15:5550）（）（21121Ftt 熱處理爐對(duì)流換熱主要發(fā)生在爐氣、鹽浴爐中的熔熱處理爐對(duì)流換熱主要發(fā)生在爐氣、鹽浴爐中的熔鹽、流動(dòng)粒子爐中流動(dòng)粒子與工件表面之間的傳熱以及爐鹽、流動(dòng)粒子爐中流動(dòng)粒子與工件表面之間的傳熱以及爐墻外表面與車間空氣之間的傳熱等。墻外表面與車間空氣之間的傳熱等。 流體與固體表面之間通過

36、對(duì)流換熱所傳遞的熱量可用流體與固體表面之間通過對(duì)流換熱所傳遞的熱量可用牛頓公式計(jì)算：牛頓公式計(jì)算：）（）（或211/221mWttq1.5.2 1.5.2 對(duì)流換熱對(duì)流換熱一、對(duì)流換熱的計(jì)算一、對(duì)流換熱的計(jì)算13:15:5551a對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱系數(shù)/(2）mW 它表示流體與固體表面之間的溫度差為它表示流體與固體表面之間的溫度差為1時(shí)時(shí), 每秒每秒鐘通過鐘通過 1m2 面積所傳遞的熱量。面積所傳遞的熱量。 對(duì)流換熱量的計(jì)算公式即對(duì)流換熱量的計(jì)算公式即(牛頓公式牛頓公式)是是1701年牛頓提年牛頓提出的出的，公式表明對(duì)流換熱所傳遞的熱流量與流體和固體表公式表明對(duì)流換熱所傳遞的熱流量與流體和固

37、體表面間的溫度差以及兩者的接觸面積成正比。面間的溫度差以及兩者的接觸面積成正比。13:15:55521.5.3 ）（）（）（）（導(dǎo)411100100424112WFTTC13:15:5553 前面分別討論了傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的基本規(guī)律及其前面分別討論了傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射的基本規(guī)律及其計(jì)算方法。在實(shí)際傳熱過程中往往是兩種或三種傳熱方式計(jì)算方法。在實(shí)際傳熱過程中往往是兩種或三種傳熱方式同時(shí)發(fā)生，所以，必須考慮它們的綜合傳熱效果。同時(shí)發(fā)生，所以，必須考慮它們的綜合傳熱效果。例如工例如工件在熱處理電阻爐內(nèi)加熱時(shí)，電熱體和爐墻內(nèi)壁以輻射和對(duì)流方式件在熱處理電阻爐內(nèi)加熱時(shí)，電熱體和爐墻內(nèi)壁以輻射和對(duì)流方式先將

38、熱量傳給工件表面，然后熱量再由工件表面以傳導(dǎo)方式傳至工先將熱量傳給工件表面，然后熱量再由工件表面以傳導(dǎo)方式傳至工件內(nèi)部，工件加熱的快慢是三種傳熱方式綜合作用的結(jié)果。件內(nèi)部，工件加熱的快慢是三種傳熱方式綜合作用的結(jié)果。 工件在熱處理爐內(nèi)加熱時(shí)，熱源與工件表面間不僅有輻射換熱，工件在熱處理爐內(nèi)加熱時(shí)，熱源與工件表面間不僅有輻射換熱，而且還有對(duì)流換熱。因而單位時(shí)間內(nèi)爐膛傳給工件表面的總熱流量而且還有對(duì)流換熱。因而單位時(shí)間內(nèi)爐膛傳給工件表面的總熱流量為：為：FTTCFtt100100424121）（）（）（導(dǎo)對(duì)輻對(duì)一、對(duì)流和輻射同時(shí)存在時(shí)的傳熱對(duì)流和輻射同時(shí)存在時(shí)的傳熱1.6 綜合傳熱綜合傳熱13:1

39、5:5554 為了便于對(duì)更復(fù)雜的傳熱過程進(jìn)行綜合計(jì)算以及對(duì)不為了便于對(duì)更復(fù)雜的傳熱過程進(jìn)行綜合計(jì)算以及對(duì)不同類型爐子的傳熱能力的大小進(jìn)行比較，一般將它改寫成同類型爐子的傳熱能力的大小進(jìn)行比較，一般將它改寫成傳熱一般方程的形式，即傳熱一般方程的形式，即）（）（）（，）（輻射換熱系數(shù)）（對(duì)流換熱系數(shù)）工件表面溫度（）爐膛溫度（式中：）（）（）（）（）（）（）（）（導(dǎo)輻輻對(duì)輻對(duì)導(dǎo)對(duì)214241222121212121424121/ 100273100273/571100273100273ttttCmWmWttWFttFttFttttttCFtt13:15:5555綜合傳熱系數(shù)或總換熱系數(shù)綜合傳熱系數(shù)

40、或總換熱系數(shù)W/(m2 2)，輻對(duì)，它表示爐子的傳熱能力。它表示爐子的傳熱能力。 對(duì)不同類型的爐子，輻射和對(duì)流在爐內(nèi)所起的作用并對(duì)不同類型的爐子，輻射和對(duì)流在爐內(nèi)所起的作用并不相同。例如在中、高溫電阻爐和真空電阻爐內(nèi)，爐膛傳不相同。例如在中、高溫電阻爐和真空電阻爐內(nèi)，爐膛傳熱以輻射換熱為主，而對(duì)流換熱的作用極小以致可忽略不熱以輻射換熱為主，而對(duì)流換熱的作用極小以致可忽略不計(jì)，計(jì)，輻輻就代表這類爐子的傳熱能力。在低溫空氣循環(huán)電就代表這類爐子的傳熱能力。在低溫空氣循環(huán)電阻爐以及鹽浴爐內(nèi)，爐膛傳熱以對(duì)流換熱為主，而其它傳阻爐以及鹽浴爐內(nèi)，爐膛傳熱以對(duì)流換熱為主，而其它傳熱方式可忽略不計(jì)，所以熱方式可忽略不計(jì)，所以a對(duì)對(duì)就代表了這類爐子的傳熱能就代表了這類爐